第28卷第3期 Volume 28Number 3 中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals 2018年3月 March 2018 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.03.11 氧化钇包覆LiNi0-5Co0.2Mn0.3O2的 结构和电化学性能 许军娜 一,陈晓青 ,高雄。,周友元 ,肖可颂 ,黄承焕3 习小明 f1.金瑞新材料科技股份有限公司,长沙410012: 2.中南大学化学化工学院,长沙410083; 3.湖南长远锂科有限公司,长沙410205; 4.长沙矿冶研究院有限责任公司,长沙410012) 摘 要:以氧化钇溶胶为包覆前驱物,利用氧化钇和正极材料表面带电状态不同制备氧化钇包覆 LiNi0 5Co0 ̄Mno 302。采用.X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及电化学测试等手段对 LiNi0_5Co0 2Mn0‘3O2包覆前后的物相结构、表面形貌及电化学性能进行研究。结果表明:氧化钇包覆并未影响 LiNi0 Co0 2Mn0 O2的晶体结构,氧化钇以颗粒状分布在正极材料表面,氧化钇包覆层厚度在15-25 nm,氧化钇 2Mno3O2相比,氧化钇包覆后,材料在高电压下的循环稳定 在正极材料表面分布比较均匀。与未包覆LiNio.5Coo..性有所提高,最佳包覆量为0.4%。氧化钇包覆有效降低材料在充放电过程中的极化和电荷转移电阻。 2Mrto关键词:氧化钇;表面包覆:LiNio.5Coo3O21电化学性能 ..文章编号:1004.0609(2018).03.0528.08 中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 镍钴锰系三元材料(LiNi1 一 Co ̄MnyO2)具有较高 的比容量、较好的安全性能和较低的成本等,是目前 与Y(NO ) ·6H2O的水溶液混合,干燥后于650℃热 处理制备氧化钇包覆的LiCo1,3Nil,3Mnl,302,提高了 LiCot,3Nil,3Mn1,3O2在高电压下(4.5和4.6 V)的容量保 正极材料研究的重点。目前,主要的三元正极材料有 302、LiNioLiNil/sCOl/3Mnl/302、LiNio5Coo2Mno6Coo2一 .....持率。沉淀法制备过程比较复杂,溶液浸渍法相对比 较简单,但是以Y(NO3)3·6H:O为钇源,热处理过程 中,容易产生有害的氮氧化物。因此,急需寻找一种 简单、环保的氧化钇包覆工艺。本文作者首次以市售 氧化钇溶胶为包覆液,利用氧化钇溶胶和正极材料表 面所带电荷不同, 制备氧化钇包覆 LiNi05Co02Mno302,且制备过程简单、便于规模化, ..Mno2O2、LiNio8Coo1Mno1O2等,与其他三元材料相比, ...研究发现LiNi0 5Coo.2Mno 3O2具有较好的稳定性和较 高的比容量Ⅲ。但是,在充放电过程中,由于锂离子 脱嵌及材料与电解液的副反应导致 LiNi05Coo2Mn03O2的结构和循环稳定性降低【 ]。特 ...别是在高电压条件下,该现象尤为突出,限制了材料 向高能量密度方向发展。表面包覆被认为是改善镍钴 .并系统研究氧化钇包覆量对LiNi0.5Co0 2Mno3O2的晶 .锰系三元材料循环稳定性的一种有效方法[4_ ,其中氧 化物包覆由于价格便宜、结构稳定等特点被广泛应用 于正极材料包覆中[9-15】。氧化钇由于具有较好的热稳 定性、较好的耐氧化和还原特性等被应用于正极材料 包覆¨ 。JU 7】采用沉淀法,以NH4CI/NH3"H2O缓 冲液控制pH=9,将LiMn2O4加入到Y(NO3)3·6H2O的 缓冲溶液中,通过热处理制备了氧化钇包覆的 LiMn204,提高了常温(25℃)和高温下(ss℃ 的循环性 能。wu 】采用溶液浸渍法,将LiCol,3NiI,3Mn O2 体结构、容量和循环稳定性的影响。 1实验 1.1样品制备 以市售的LiNi0.5Co0 2Mno.3O2(振实密度为2.20 2Mno3g/era3)为正极材料。将LiNi05Co002加入定量的 ...去离子水中,然后按照包覆质量比0.2%、0.4%、 基金项目;国家重点研发计划资助项目(2016YFB0100400):国家自然科学基金资助项I ̄(51474037) 收稿日期:2016—12-21;修订日期:2017.05.12 通信作者:习小明,教授,博士;电话:0731·88657399:E-maih xixiaoming@vip.163.corn 第28卷第3期 许军娜,等:氧化钇包覆Li 0 5Co0 2Mno.302的结构和电化学性能 529 0.6% ̄JD入定量氧化钇溶胶,以500 r/min速度搅拌30 min,然后将悬浊液过滤,于80℃真空干燥箱中烘干, 置于马弗炉中于500℃热处理6 h得到氧化钇包覆 样品。 言 o.6% 1.2样品表征 采用日本Rigaku公司的x射线衍射仪对样品进 行物相分析,扫描范围为10 ̄ ̄70。,步宽为O.02。。采 用美国Perknelmer Optima 2000DV型电感耦合等离 i J蔓….至 ~一拿镄 呈v\ ; o.4% 言 子发射光谱仪对钇含量进行测定。采用KYKY28o0型 扫描电镜对样品进行微观形貌分析。Tecnai G2 20型 透射电子显微镜对包覆层厚度进行观察,并采用马尔 文的ZS90粒度电位仪对材料的电位进行分析。 1.3电化学性能 以LiNi0.5Coo.2MnojO2为正极材料,乙炔黑为导电 剂,聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂,将三者按质量比 90:5:5比例混合,加入溶剂N.甲基吡咯烷酮(NMP), 搅拌成膏状,均匀涂覆于集流体铝箔上,于90℃干燥 制成工作电极。以金属锂片为负极,Ce1.gard2400微 孔聚丙烯膜为隔膜,1 mol/L的六氟磷酸t ̄(LiPF6/EC、 DMC和EMC的体积比为1:1:11为电解液,在氩气手 套箱内组装成扣式电池。以蓝电电池测试系统进行充 放电测试。测试电压为3.0~4.4 V和3.0 ̄4.6 V。以普 林斯顿电化学工作站进行电化学阻抗测试,测试频率 范围5 mnz~100 kHz,扰动电压为5 mV。 2结果与讨论 2.1 XRD表征 图1所示为氧化钇包覆LiNi0.5Co0_2Mn0_3O2的 XRD谱。由图1中可以看出,包覆前后,衍射峰位置 并未发生明显变化,仍为a-NaFeO2结构,属于六方晶 系,R3m空间群,表明包覆并未影响材料的层状结构。 该结构中,Li 占3口的位置,Ni 和Mn4 占36位置, O 一占6c位置。由于Li 半径(0.069 nm)与Ni2+半径 f0.076 nm)接近,因此,Li 容易占据Ni 位,形成阳 离子混排。通常采用厶03 04衍射峰的强度 )比来衡 量阳离子混排程度。一般认为 >1.2,表明材料具有 理想的层状结构和较好的电化学性能[1 。表l所列为 包覆前后LiNio.5Co0.2Mno-3O2的晶胞常数。由表1中可 以看出,包覆前后LiNio.5Coo.2Mno.3O2的晶胞参数及 。3 。 的比值几乎没有变化,表明包覆对材料结构并 未产生影响,而 3 04均大于1.2,表明样品均具有 霉… 享 苫 旦… 、 I I至… 至 1O 2O 3O 40 50 60 70 2O/(。) 图1氧化钇包覆LiNi0.5Coo.2Mno 3O2的XRD谱 Fig. 1 XRD patterns of yttdum oxide coated LiNio5Coo.2Mno302 ..表1氧化钇包覆LiNi0.5Coo.2Mnol3O2晶胞参数 Table 1 Lattice parameter of yttrium oxide coated LiNio.5Coo.2Mno.302 较低的阳离子混排。 2.2形貌分析 通过电位测试仪测得氧化钇溶胶和正极材料的表 面电位分别为37.5和-22.5 mV,表明氧化钇溶胶和正 极材料带相反电荷,可以依靠正负电荷的吸引使氧化 钇作用于正材材料表面。采用ICP-AES测得理论包覆量 为0.2%、0.4%和0.6%的氧化钇包覆LiNio.5Coo.2Mno_3O2 样品的实际包覆量为0.19%、0.38%和0.57%,接近 于理论计算值。图2所示为氧化钇包覆 530 中国有色金属学报 LiNi0 5Co0 2Mno 3O2的SEM像。由图2中可以看出, 未包覆LiNi0 5Co0 2Mno 3O2颗粒表面比较光滑,而经氧 图3所示为氧化钇包覆正儆材料的TEM像。与 未包覆样品相比(见图3(a)),绎氧化钇包覆后(见图 3(b)),可以看到明显的包覆层,也凌相对比较均匀, 包覆层厚度在15-25 nm。图3(c)所 永为未包覆样品的 HRTEM像,可以看到明 的 格条纹,晶而『’DJ ̄Pl为 化钇包覆后,可以看到有少量的颗粒分布在 LiNio 5Co0 2Mno 302颗粒表面,且随着包覆量的增加, 正极材料表面氧化钇颗粒的数量明显增加。 图2氧化钇包覆LiNio 5Coo 2Mn0 3O2的SEM像 Fig.2 SEM images ofyttrium oxide coated LiNi0 5Coo 2Mno 302:(a)0;(b)0-2%;(C)0.4%;(d)0.6% 图3氧化钇包覆LiNi0 5Co0 2Mno 3O2的TEM像 Fig.3 TEM images ofpristine and yttrium oxide coated LiNi0 5Coo 2Mno 302:(a),(c)0:(b),(d)O.4% 第28卷第3期 许军娜,等:氧化钇包覆LiNi0 5Coo 2Mn0 3O2的结构和电化学性能 53l 0.482 nm,对应于LiNiO2(JCPDF≠}09—0063)的(003)晶 面。由图3(d)氧化钇包覆LiNi0 5Co0 2Mno3O2的局部放 .图5(b)中可以看出,当充放电电压为3.0—4.6 V时,0、 2Mno0.2%、0.4%和0.6%氧化钇包覆LiNi0 5Co03O2的 ..大图可以看出,晶面间距为0.263和0.235nm,对应于 氧化钇(JCPDF#43-1 036)的(400) ̄D(420)晶面。为了进 一首次充电比容量分别为231、230、230和229 mA·IVg, 放电比容量分别为205、204、203和201 mA·h/g,对 应的首次充放电效率分别为89%、89%、88%和88%。 随着氧化钇包覆量增加,放电比容量逐渐下降。这可 能是由于氧化钇为非电化学活性物质,从而使得初始 放电比容量有所下降[2o]。 步确认氧化钇在正极材料表面的包覆均匀性,对氧 ..sCo0化钇包覆LiNi02Mn0_3O2的样品进行了TEM下的 元素分布扫描,如图4所示。由图4中可以看出,钇 元素在LiNi05Co02Mn0 3O2正极材料表面分布相对比 ..较均匀。此外,镍、钴和锰元素在正极材料表面分布 也很均匀。 之 呈 乏 至 图5氧化钇包覆LiNio 5Co02Mno-302的0.1 C倍率下充放电 .曲线 Fig.5 Charge·discharge curves of yttrium oxide coated LiNio 5Coo 2Mno302 at rate of 0.1C:(a)3.0—4.4 V;(b)3.0— .图4氧化钇包覆LiNi0 5Coo 2Mn0 3O2的TEM像及元素分布 图 Fig.4 Typical TEM image(a)and element mappings((b)~(e)) of yttrium oxide coated LiNio 5Coo 2Mno302 .4.6 V 图6所示为在3.0~4.4 V和3.0-4.6 V电压范围内 氧化钇包覆LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2经过1 C循环50周的循 环性能图。由图6(a)可以看出,当充放电电压为3.0~ 4.4 v时,0、0.2%、0.4%和0.6%氧化钇包覆 LiNi05Co02Mno-3O2的1C首次放电比容量分别为171、 ..2.3电化学性能 图5所示为在3.0~4.4 v和3.0~4.6 V电压范围内 氧化钇包覆LiNi0.5Co0 2Mn0 3O2的充放电曲线。由图 5(a)中可以看出,当充放电电压为3.0~4.4 V时,0、 0.2%、O.4%和O.6%氧化钇包覆LiNi0.5Co0.2Mno 3O2的 充电比容量分别为210、209、208和205 mA·h/g,对 应的放电比容量分别为l87、184、183和l81 mA·h/g, 170、169和168 mA·h/g,放电比容量随着氧化钇包覆 量增加而逐渐减小。经过lc循环50周后,0、0.2%、 0.4%和0.6%氧化钇包覆LiNi0.5Co0.2Mno.3O2的放电比 容量分别为148、157、160和154 mA·h/g,对应的容 量保持率分别为86%、92%、95%和92%。当充放电 电压为3.0 ̄4.6 V时(见图6(b)),0、0.2%、0.4%和O.6% 首次充放电效率分别为89%、88%、88%和88%。由 532 中国有色金属学报 2018年3月 氧化钇包覆LiNi0.5Coo.2Mno_3O2经1C循环50周的放电 比容量分别为146、157、161和151 mA·h/g,对应的 容量保持率分别为78%、84%、86%和81%。由此可 以看出,经氧化钇包覆后,LiNi0.5Co0.2Mno.3O2的循环 稳定性普遍提高。这可能是由于氧化钇包覆降低了正 极材料与电解液之间副反应,从而提高了材料的循环 稳定性【2l】。当包覆量为0.2%时,只有少量 LiNio 5Coo.2Mno.3O2正极材料的表层覆盖了氧化钇,不 足以完全抑制电解液与正极材料作用,因此,部分提 高了材料循环性能。当包覆量为0.4%时,氧化钇包覆 量可以足以减小正极材料与电解液的接触面积,因此 材料表现出较好的循环稳定性。而当包覆量增加至 0.6%时,氧化钇包覆量太多,可能阻碍了锂离子扩散, 从而导致循环稳定性略有下降。CHEN等[221在研究包 覆量与正极材料电化学性能时得到了与本研究类似的 结果。 《 邑 ’趸 3 普 皇 0 Cycle number 图6 氧化钇包覆LiNi0 5Co0.2Mno.3O2在1C倍率下循环 性能 · Fig.6 Cycle performance of yttrium oxide coated LiNio5Coo2Mno...302 at rate of 1 C:(a)3.0-4.4 V;(b)3.O_4.6 V 2.4交流阻抗分析 图7所示为氧化钇包覆LiNio.5Coo.2Mno 3O2在 3.0-4.4 V和3.0--4.6 V条件下经过1c循环50周交流 阻抗图,右上角为高频区局部放大图。由图7可以看 一一_暑.q.《暑一\蚤【。 。。 ∞一口 出,交流阻抗图均有一个高频区半圆、一个中频区半 圆和一条低频区的斜线组成(充电截止电压为4.6 V 时,由于频率测试限制,未出现低频区斜线 ,分别对 应表面膜阻抗 sf)、电荷转移阻抗 。I)和Warburg扩散 阻抗。由图7中可以看出,未包覆和氧化钇包覆 LiNi0.5Co0.2Mno.3O2的表面膜电阻并未发生明显改变。 在3.0~4.4V时,0、0.2%、0.4%和0.6%氧化钇包覆量 LiNi05Coo2Mno...3O2的电荷转移电阻分别为122、45、 29和62 Q,在3.0 ̄4.6 V时,0、0.2%、0.4%和0.6% 氧化钇包覆量LiNi0 5Coo 2Mno.302的电荷转移电阻分 别为582、372、300和446 Q。可以看出,经氧化钇 包覆后,电荷转移电阻均明显减小。在循环过程中, 电解液会与正极材料发生副反应,生成聚碳酸酯、LiF、 L 和L ·0 等产物,这些副反应产物是导致交 流阻抗增加的重要原因【2 。表面包覆氧化钇后,电解 液与正极材料的副反应减弱,副反应产物减少,这可 能是电荷转移电阻明显减小的原因。氧化钇包覆量为 0.4%时,电荷转移电阻最小。 图7氧化钇包覆LiNi0 5Co0.2Mno 3O2组装成半电池的交流 阻抗图 Fig.7 Electrochemical impedance spectroscopy of yttnum oxide coated LiNi0 5Coo 2Mn0.3O2:(a)3.0 ̄4.4 v;(b)3.0--4.6 V 第28卷第3期 许军娜,等:氧化钇包覆LiNi05Coo 2Mno302的结构和电化学性能 .533 2.5循环前后循环伏安分析 图8所示为氧化钇包覆LiNi0.5Coo 2MnoI3O2的循环 伏安曲线图。由图8中可以看出,包覆与未包覆样品 均只出现一对氧化还原电位峰。未包覆样品的氧化和 还原电位分别位于3.9O v和3.64 v,对应Ni /Ni4+的 氧化还原电位【2剞,氧化钇包覆后氧化电位与还原电位 2)在3.0 ̄4.4 V和3.0 ̄4.6 V测试电压范围内,随 着氧化钇包覆量增加,LiNio5Co02Mno3O2的放电比容 ...量逐渐减小。 5Co02Mn03)氧化钇包覆后,LiNi03O2的循环稳定 ...性增加,当包覆量为0.4%时,循环稳定性最佳。 4)氧化钇包覆后,电荷转移电阻明显减小,当包 覆量为0.4%时,在3.0 ̄4.6 V电压下,电荷转移电阻 从582 Q减小至300 Q。 与未包覆样品接近。当循环50周后,氧化峰向高电压 方向偏移,还原峰向低电压方向偏移。由图8中还可 以看出,未包覆样品经过循环50周后,氧化和还原电 位分别为4.01 V和3.57v,电位差为0.44v。氧化钇 包覆样品经循环50周后,氧化和还原电位分别为3.95 和3.61 v,电位差为0.34 V,可以看出,经过氧化钇 包覆后,极化明显减小,这也是材料循环稳定性增加 的原因。 £ 芒 Voltage/V 芒 Voltage/V 图8氧化钇包覆LiNi0.5Co0.2Mn0_3O2的CV曲线 Fig.8 Cyclic voltammetry CHIVes of yttrium oxide coated LiNi0.5Co0.2Mno.302.(a)O;(b)O.4% 3结论 1 利用氧化钇和正极材料表面带电状态不同,制 备了氧化钇包覆LiNi0.5Co0.2Mno-3O2。氧化钇以颗粒状 分布在正极材料表面,包覆层厚度在1 5~25 nln。 5)经1C循环50周后,氧化钇包覆 LiNio5Coo..2Mn0_3O2的极化明显减小,表明氧化钇包覆 有效抑制了材料与电解液的作用。 REFERENCES 【1】BAK S M,HU En-yuan,zH0U Yong-ning,YU Xi-qian, SENANAY=c SD,CHo S J,K五MKB,CHUNGK YANG Xiao-qing,NAM K W Structural changes and 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Journal ofPower Sources,2015,281:370-377. 第28卷第3期 许军娜,等:氧化钇包覆LiNi0 5Coo2Mn0 3o2的结构和电化学性能 535 Structure and electrochemical performance of yttrium oxide coated LiNiosCoo2Mno302 ..XU Jun-na ’2 CHEN Xiao-qing2GAO Xiong3ZHOU You—yuan , ,,XIAO Ke-song ,HUANG Cheng-huan ,XI Xiao-ming4 (1.Kingray New Materials Science and Technology Co.,Ltd.,Changsha 410012,China; 2.School ofChemistry nd Chemaical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China; 3.Hunan Changyuan LiCo Co.,Ltd.,Changsha 410205,China; 4.Changsha Research Institute ofMining nd aMetallurgy Co.,Ltd.,Changsha 410012,China) 302 was successfully prepared based on the different surface potentials Abstract:Yttrium oxide coated LiNio5Coo2Mno...between the cathode material and yttrium oxide using yttrium oxide sol as coating precursor.The crystal s仃ucture. morphology and electrochemical properties of uncoated and yttrim oxide coated LiuNio 5Coo 2Mno302 were investigated .by X-ray diffractometry(XRD),scanning electron microscopy(SEM),transissmion electron microscopy(TEM)and electrochemical measurements.The results indicate that the crystal s廿ucnlre is not affected by yttrim uoxide coating。the yttrium oxide particles homogenously distribute on the surface of cathode materials and the thickness of coming layer is 302,the cycle performance of he catthode mat ̄al improves l 5—25 am.Comparing with the uncoated LiNio 5Coo 2Mno.after yttrium oxide coating and he optitmum coating amount is O.4%.The charge ratnsfer resistance and the polarization re suppressed aafter coating during he chatrge—discharge processes. rochemical performance Key words:yttrium oxide;surface coating;LiNi0 5Coo2Mno302;elect..Foundation item:Project(2O16YFB01004O0)supported by he tNational Key Research and Development Plans ofChina; Project(51474037、supported by he tNational Natural Science Foundation ofChina Received date:2016-12—21;Accepted date:2017—05·12 Corresponding author:XI Xiao-ing;Telur:+86-731—88657399;E-mail:xixiaoming@vip.163.tom (编辑李艳红)