第l7卷第2期 材料开发与应用 20o2年4月 文章铺号:1003-1545(2002)02-0039-04 锂离子电池正极材料锂锰氧化物的研究进展 宰学荣(洛阳船舶材料研究所 洛阳471039) 摘 裹 综述了近几年锂离子电池正极材料锂锰氧化物的研究进晨 着重介绍了3种方法制备的锂锰氧尖 晶石材料及其电化学性能,另外对层状结构02型锂锰氯化物的音成及电化学性能也作了较为详细的介绍。 关鲁词 锂离子电她正极锂锰氧化物 中田分类号:TO131.1 l 文献标识碍:A Research Trend of Li—Mn.Oxide Cathode for Li—Ion Cells Zai Xuerong(Luo ng Ship Mater Research Irtsti ̄te,Luoyang 471039,Chinaj Abstract The l'eeent research progr ̄,s。f Li-Mn-Oxlde cathode materials for ・i。n ceils is reviewed Some spinel Li.Ma ̄Oxide materials synthesLsed with t}lrce kinds of different methods and and the their electrochemical properties are introduced.In addition.the prepareti(m of layered Li・Mn-Oxide with the 02 stmcture and its electrochemical properties are also discussed in detail. Keywortls Li-Ion cdl C,athode Li-Mn-Oxide 锂离子二次电池自1991年上市以来,因具有 和电化学性质 】。因此单相LiNiq的制备比较 高电压、高容量、无记忆效应等优异性能而逐渐受 困难,要求在氧气气氛下合成,工艺条件控制要求 到人们的青臁。锂离子电池正极材料的性能在很 严 。另外对于LiNiOz的安全性有待于进一步 大程度上影响着锂离子电池的性能。如果正极材 的研究。锂锰氧材料有原料丰富、成本低廉(锰的 料的电容量提高100%,则电池总额定电容量提 价格仅为钴的1/40)、无环境公害的优点,但锰的 高68%;如果使负极材料的电容量提高100%.则 氧化物的结构与价态变化比较复杂,制备方法和 电池总额定电容量仅提高12%…。因此正极材 充放电条件不易掌握,在循环过程中有较明显的 料的研究是锂离子电池研究中的热点。研究较多 电容量降低现象。目前人们对锂锰氧正极材料的 的正极材料主要有锂钻氧、锂镍氧和锂锰氧等几 合成研究主要有以下几个方面:改进传统的锂锰 种体系。锂钴氧正极材料由于其制备工艺较为简 氧尖晶石材料制备方法,控制烧结温度范围和加 单、性能稳定、比容量高且循环性好,是当今商品 热、冷却速度;对锂锰氧尖晶石材料进行搀杂,如 化锂离子电池中主要采用的正极材料,但钴的价 加入稍过量的锂或者少量的碘、镁、镍、钴等;采用 格高,且有毒。锂镍氧具有与锂钴氧相似的层状 溶胶一凝胶法制各锂锰氧或搀杂锂锰氧尖晶石材 结构,比能量高、循环性能较好、价格适中(镍的价 料;改进层状锂锰氧材料的合成方法等。本文将 格为钴的112o).但制各LiNiO 的条件极为苛刻。 就这几方面的问题进行较为详细的考察。 因为镍在合成时倾向于形成Ni2+,从而使产物中 含有低价镍的氧化物Li2N q。;而且镍过量时镍 1优化烧结工艺 会占据Li 的位置.这些都会影响LiNiq的含量 尖晶石型的LiM q(M为Mn、Co、V等)中 收稿日期:2001-10.24 维普资讯 http://www.cqvip.com
・40・ 材料开发与应用 2002年4月 M O.骨架是一个有利于u 扩散的四面体和八 得到了改善,但LiMg Mn2一 q的初始放电容量 面体共面的三维网络,其典型代表是LiM q 。 比LiMn ̄q舶明显降低了。为了补偿LiMg 目前,尖晶石锂锰氧正极材料多采用多步加热固 Mn2一 q理论容量低的缺点,用控制氧压的方法 态合成法,.即将试样加热至一定温度,保温一段时 合成了非化学计量的尖晶石LiMgyMnz一 。|… 间,然后在一定的冷却速率下冷却。为了得到纯 并对比研究了LiMrt20 LiMg M 一 O。和LIM— 的尖晶石相,使材料有最佳的电化学性能,烧结参 g Mn2一 。|一 ( =1]6; =0.032)的初始放电容 数的选择十分重要,往往需要严格控制烧结温度 量和循环行为。LiMnzq初始放电容量约为 及加热、冷却速率。另外,在固相反应之前还要进 120mAh}g,循环100周后放电容量衰减34%;而 行长时间的低温预烧,有时还需要把反应物研磨 搀杂镁后,LiMg Mnll『 q初始放电容量为 至一定粒度等。 99mAh/g,LiMg1f6Mn11f604一 (d=0.032)初始放 崔万秋 等在750℃和850℃两个温度下以 电容量为104mAh/g;另外这两种材料循环100周 3种不同的冷却速率制备锂锰氧尖晶石材料,经 后容量衰减不超过1O%。从整体上说,搀镁尖晶 x.射线衍射试验,结果表明,超过800℃合成,随 石锂锰氧化物有较好的循环性能,但其电容量尚 温度升高晶格常数偏大,在850℃时将有杂质产 不理想。 生。因此要想烧结出较好的锂锰氧尖晶石材料, Jaekook Kim 等采用了一种新的合成方法 烧结温度不能超过800℃。另外,为避免生成杂 制备了搀杂碘和钠的锂锰氧化物Li Nao 质.应采用慢拎方法合成纯尖晶石相,该试验的慢 MnO2 10 ,该材料通过x.射线衍射测定为非晶 冷速率为5O℃/h,也有学者提出升、降温的速率 态结构,这种结构可避免锰氧化物受多晶结构晶 应控制在20℃/h以下 。 。 格畸变的影响。该材料具有平稳的放电行为,在 1.5~4 3V范围内显示高的可逆容量(260mAh/ 2搀杂少量金属或非金属元素 g),放电平台电压为2.6V,在低电流密度下(0 1 胡晓宏 和吴晓梅 等研究了在尖晶石结构 mA& )做了8次循环试验,证明电容量几乎没 有衰减;在高电流密度下(0.5mA/c )做了40次 锂锰氧材料中搀人稍过量的锂而得到的尖晶石结 循环试验,电容量衰减也较小。 构Li + Mnz一 q(0≤ ≤O.20)材料。使锰离子 为了降低循环时电容量的衰减,在锂锰氧中 的平均氧化态在充、放电过程中始终保持大于 添加适量的金属离子或非金属离子收到了一定的 +3.5价是防止Jahn—Teller效应 、提高其晶格 效果,但是这种方法也带来了初始电容量的下降。 结构稳定性进而改善电扳可逆性的途径之一,但 总之,目前尚无一种添加元索既能改善尖晶石锂 他们的研究表明,过量的锂有利于改善电极的可 锰氧的循环性能,又能提高其初始电容量 ”。 逆性,但起始电容量会有所下降。 Thackeray等… 指出,用单一或多价态的金 3 溶胶一凝胶法制备锂锰氧尖晶石 屑阳离子部分代替金屑锰能够提高尖晶石结构的 材料 稳定性。从这个观点出发,人们还尝试向锂锰氧 材料中加入其它元素如镁、镍、钴、铁、铜、铝、铬等 溶胶.凝胶技术具有反应温度低、反应时间 来部分替代锂锰氧中的锰,从而改善锂锰氧的电 短、反应产物粒度均一、尺寸小、反应过程易控制 化学性能。 等优点。该方法广泛应用在生物、光纤维、玻璃、 N.Hayashi“”等研究了搀杂镁的LiMg 陶瓷粉末等材料的制备上,尤其用于纳米材料的 Mth一 O|和LiMg,Mn:一 O.一 (0≤y≤tiE;0≤8 制备。溶胶.凝胶法在合成锂离子电池正极材料 ≤0.04)两种尖晶石型材料。在这些材料中由于 LiMn2q中显示出较大的优越性。 八面体中Mg2 部分代替了M 而使循环性能 传统方法制备锂锰氧尖晶石材料时的反应为 维普资讯 http://www.cqvip.com
第17卷第2期 宰学荣:锂离子电池正极材料锂锰氧化物的研究进展 41 固相反应,是一个扩散控制反应。如果反应物之 间的界面明显、反应物颗粒大、接触面积小,则会 4 改进的层状锂锰氧材料的合成 增大物相之间的扩散自由程,导致反应时间延长 和反应温度升高。溶胶一凝胶法采用溶剂介质分 人们对层状LiMno2的合成也很感兴趣,因 散反应物,可大大增加反应物之间的接触界面,而 为LiCoO2和LiNiO2就是锂离子电池中使用层状 且粒径越小,接触面积越大,分子的扩散路程越 材料的很好的例子。层状结构比其它任何结构具 短,因此反应时间缩短,反应温度降低。 有更大的可逆锂的嵌入能力,遗憾的是在高温下 Barboux“ 等采用溶胶.凝胶法用醋酸锰、氢 固态反应制备层状LiMnO2并未取得成功,因为 氧化锂、氨水作原料,300℃烧结制得纯LiMn2 04。 非层状结构的LiMn2 (尖晶石)、LiMnO2(斜方 彭正顺“”等采用溶胶一凝胶一酯化法在较低的温度 晶)和Li Mn (岩盐)很稳定,极易在反应时和 (<250℃)制得尖晶石型LiMnz ,以金属锂片为 层状LiMnOz一并生成,影响其电化学性能。 负极作成电池,首次充放电容量超过130mhh/g, 根据】.M.Pau1se 等人的研究,碱金属锰 循环l0次以后电容量仍保持在12OmAh/g的较 高水平。杨文胜“ 等采用柠檬酸作络合剂在 氧化物A Mno (A为K、Na)随氧的堆积方式不 800℃下制出尖晶石型“Mn2 04,电容量和循环性 同有三种层状结构,分别为03结构、P2结构和 能较好。康慨“”采用柠檬酸作配位络合剂,根据 P3结构,其中。代表八面体形,P代表棱柱形,后 固相配位化学反应法翎备了尖晶石LIMn2 超 面的数字表示每单元晶胞内的MnO2层数。碱金 细粉体,该方法烧结温度低(550℃)、时间短、颗粒 属锰氧化物AsMnO,很容易通过与“ 交换而生 均匀、形貌规整,但电化学性能需进一步研究。 成Li MnO 。03型的LiMnq层状结构是将 K.Amind 等采用溶胶.凝胶法在较低的烧 LiBr溶解到乙醇中用a—NaMnCh中的Na 与“ 结温度(250~400℃)制备了搀杂铁或镍的锂锰氧 交换制成,离子交换后,03型结构不会改变。该 尖晶石材料。这些材料有相似的立方体尖晶石结 03材料首次充电容量能达到250mAhlg,不幸的 构,呈瑰不同的电化学行为。搀杂铁的材料 是该结构在反复充放电过程中极易转变成尖晶石 LiMn1 Fe0 5 04明显表现出至少两个平台(4V和 结构,造成充电容量迅速降低。P3型结构在离子 3V),说明搀杂的铁是+3价氧化态,由于+3价 交换时就极易转变成03型结构,只有P2型结构 铁和+3价锰的存在,充放电时易发生Jahn—Tel1. 的钠锰氧化物在离子交换时会转变成02型结构 目畸变。搀杂镍的LiMn ,N ,q,困镍为+2 的锂锰氧化物。02型结构与尖晶石结构有很大 价,锰的开始氧化态为+4价,因此不会发生Jahn 差别,要转变成尖晶石结构。须通过氧晶格的重排 —Teller畸变。另外研究发现,当过量的Lil与 才行,而这种重排要求破坏全部Mn.O键,这在室 LiMn1 5Nio 5q在乙腈中反应后,将生成Li。+ 温下难以实现,所以,先制备P2型的钠锰氧化 Mn ,Nio q(0≤z≤1),该材料有高的放电容量 物,然后通过离子交换制备出02型锂锰氧化物, 和相当好的循环性能。在3V左右有一放电平 该方法前景非常好。 台,放电容量最高可达I60mAh[g。循环性能如 J.M.Paulsen ”等采用高温固态反应制备了 下:以电流密度0.5mmc 充放电循环l2周后, 钠锰氧化物,样品成分为Li Na。一,MnO ,不同的 电容量由160mAh[g下降至150mAh/g;13~l9 z是由800℃下固态反应的不同条件决定的。只 周时采用电流密度lmA/cm ,电容量衰减至 有z=0和0.16<z<0.2时才产生单相材料。 145mAh]g';20--25周时采用电流密度2mmc , z=O时的NaMnOz是众所周知的Q-NaMnO ̄(O3 电容量衰减至130mAh/g;26--,34周时又采用0.5 型),后者是具有与口.Na0 MnCh相同晶体结构的 mA/em2,电容量又升至146mAh/g。该制备工艺 P2型结构。离子交换时选择z=0.2时的P2相 过程复杂、不易掌握,对设备也有一定的要求。 (将它写成Na, (LilJ6Mn )q更合适),离子交 维普资讯 http://www.cqvip.com
・42・ 材料开发与应用 2002年4月 换后.P2型的Na2J|(Li Mn )q转变成O2型 10 Thackeray M M,Rossouw M H,et a1.Spinel 的L (Li Mnm)O2,经研究发现,该材料在反 electrodes from the Li..Mn一0 system for re— 复充放电时,不会迅速转变成尖晶石结构,充放电 chargeable Lithium battery applications.J 电压在2~4.8V之间,可逆充放电容量为 Electrochem Soc,1992,139:393 150mAh]g。今后的研究应进一步优化层状O2型 I1 N.1-layashi,“a1.Cathode of LiMg Mn2一 q 锂锰氧化物的成分,并进一步开展对其制备和电 and LiMg Mn2 O.一 spinel phases for Lithi 化学性能的研究。 um secondery batteries.J Electmchem SOc, 1999,146(4):1351 5 结束语 12 Jaekook Kim,et al A manganese oxyiodide cathode for rechargeable lithium batteries. 无论是从环保、性能价格比还是安全性来看, Nature.1997,390(20):265 锂锰氧体系正极材料均比锂钻氧体系、锂镍氧体 13刘光明,等锂离子电池正极材料的研制新进 系具有明显的优越性,其应用前景非常好。今后 展.材料导报,2001,15(3):30 应进一步优化其制备工艺,寻找合适的搀杂元素 14 Barboux P,Tal'aso:gn J M,Shokoohi F K.The 和合适的剂量。溶胶一凝胶法也是一种制备锂锰 Uee of acetates as precursors for the Iow—tem— 氧尖晶石材料较先进的方法。另外,层状结构02 perature synthesis of LiMn2q and LiCoO2 in— 型锂锰氧化物的性能非常好,该种材料值得深入 tercalation compounds J Solid State Chem, 研究。 1991.94:185 15彭正顺,等.溶胶.凝胶一酯化法制备LiMn204 参考文献 超细粉及其电化学性质的研究功能材料, 1麦立强,等 锂离子电池正极材料的研究进展 1999,30(4):379 材料导报,2000,14(7):34 l6杨文胜,等柠檬酸络合反应方法制备尖晶石 2吴国良,等.锂离子电池及其电极材料的研制. 型LiMrh O|.电源技术,1999,23(增刊):49 电池,1998.28(6):258 l7康慨,等.固相配位化学反应法合成LiMn20 3陈志国,等.锂离子电池正负极材料研究.材料 的研究.功能材料,2001,31(3):283 导报,2000。14(9):14 I8 K.Amine,eg a1.A new three—volt spinel LiI+ 4孙春文.锂离子电池的研究进展.现代化工, Mn1 5N 5 O|for secondary ̄thium batteries 1999,16(6):12 5崔万秋,等.锂离子电池阴极材料Li.+ MnzO, J Electrochem See,1996,143(5):1607 的合成与特性.功能材料,1998,29(4):378 19 J M Paulen,et .Layered Li—Mn.Oxide with the 02 Structure:A cathode materi且1 for Li- 6吴晓梅,等.锂离子电池阴极材料尖晶石结构 Li + Mn . q的研究.电化学,1998,4(4): Ion cells which does not convert tO spinel J Electrochem Soc,1999,146(10):3560 365 7刘兴泉,等.锂离子电池正极材料LiMn O. 宰学荣.士.1969年生,1997年毕业于洛阳工学院 的合成及其电化学性能研究.功能材料, 材料系金属材料度热处理专业,荻工学硕士学位。 2001,32(2):178 现在洛阳船舶材料研究所工作,从事电镀、化学镀 8胡晓宏,等.LiMr ̄q正极在高温下性能衰退 度阳极氧化等表面技术厦腐蚀与防护研究工作. 现象的研究.电化学,1999,5(2):224 并负责一项七院青年基金课题“可充电电池用正 9师昌绪主编.材料大词典.北京:化学工业出版 极材料锰氧化轴的研制” 社,1994:1060
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