锂离子电池正极材料Li1.2Mn0.55N i0.15M g0.1O2的研究*

吴永新,董哲，邓超

（哈尔滨师范大学化学化工学院，黑龙江哈尔滨150025）

科研与开发

锂离子电池正极材料Li1.2Mn0.55N i0.15M g0.1O2的研究*

吴永新,董哲，邓超*

（哈尔滨师范大学化学化工学院，黑龙江哈尔滨150025）

采用碳酸盐沉淀法制备材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2，并对材料的结构、形貌以及电化学特征进行了测试。XRD测试和扫描电镜测试结果表明该材料具有良好的层状结构和形貌特征，电化学测试表明材料具有良好的充放电性能，循环性能，倍率性能等。

锂离子电池；层状结构；电化学性能

锂离子电池的飞速发展在近几年来收到了广大研究者的关注，正极材料作为电源最重要的一部分，在电化学性能方面起着举足轻重的作用。富锂正极材料χLi2MnO3-（1-χ）LiMO2（M=Mn,Co,Ni）（也可以写成Li（1+χ）MO2）由于具有低成本，高电化学特性而备受广大研究者的青睐[1,2]，成为最有希望取代市场化材料LiCoO2的候选者之一[3]。富锂正极材料主要是由Li2MnO3和LiMO2形成的固溶体，具有层状结构，在电压达到4.5V时，该材料脱锂也会有一个脱氧的过程，表现出较高的比容量[4,5]。Li2MnO3成分也得到活化，对结构起到了稳定的作用[6,7]。然而，也正因如此，材料的不可逆容量损失增大，使得循环性能，倍率性能不令人满意[8]。广大学者们对此也进行了大量的改性研究，而本文通过Mg掺杂对0.5 Li2MnO3-0.5LiMn0.5Ni0.5O2（也可以写成Li1.2Mn0.55Ni0.15MgO2）进行掺杂改性研究，合成了材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2，针对制备方法以及电化学性能的研究等方面进行阐述。

1 实验部分

1.1 仪器与药品

Bruker-axs X射线衍射仪；电池性能测试系统（深圳新威公司）；电子扫描电镜测试仪（日本日立公司）；磁力反应釜（巩义予华公司）。

MnSO4,NiSO4,MgO,Na2CO3,NH3·H2O均为分析纯。

1.2 正极材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的制备

采用共沉淀法用MnSO4和NiSO4溶于去离子水中，配成一定浓度的溶液，在50℃温度下和等浓度的Na2CO3溶液一起加入到反应釜中，磁力搅拌12h，缓慢滴加NH·3H2O控制pH值为8.5左右，经过滤、洗涤、干燥、预烧，然后再与一定计量比的LiOH·H2O和MgO充分混合、研磨，800℃的高温下煅烧8h制成材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2。

1.3 材料的表征

采用德国X射线衍射仪对该材料的内部结构进行X射线测试分析，采用日本扫描电子显微镜对材料进行其形貌分析。

1.4 电极制备

将制得的正极活性材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯（PVDF）按照质量比为8∶1∶1溶于适量的溶剂N, N-二甲基吡咯烷酮（NMP）中，磁力搅拌器中均匀搅拌调成膏糊状，涂在铝箔上，在真空箱中60℃条件下烘干，冲成小圆片，形成正极片，在油压机下压实。然后以锂片为负极，以LiPF6/EC+DMC+EMC为电解液，在充满Ar的手套箱中组装成纽扣式电池。

1.5 电化学性能测试

将制得的纽扣式电池放在放在BTS测试系统上以2.0～4.6V的电压范围内，20mA·g-1的电流条件下进行充放电测试。

2 结果与讨论

2.1 材料结构分析

图1 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of Li Mn Ni Mg O composite1.20.550.150.12

由图1可见，明显的（003）、（104）、（101）、（102/006）、（108/110）、（105）、（107）和（113）衍射峰，可以表明该材料具有α-NaFeO4层状结构。双峰（102/006）和（108/110）分裂比较明显，表现出层状结构较为良好。

2.2 材料的形貌分析

图2 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的SEM图Fig.2 SEM images of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

由图2可见，材料的表面比较均匀，表现出球形结构，没有明显的团聚现象，有利于Li+的脱嵌，这与材料良好的电化学特性是分不开的。

2.3 首次充放电曲线

图3为室温下，电压为2.0～4.6V，电流密度为20mAh·g-1的条件下测得的首次充放电曲线。

图3 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的首次充放电曲线图Fig.3 First charge/discharge curve of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

由图3可见，当电压达到4.4V时有一个明显的充电平台。在该测试条件下，首次充电比容量可达到267mAh·g-1，放电比容量达到158mAh·g-1。

2.4 循环性能测试

图4为室温下在20mA·g-1的电流下测得的循环性能。

图4 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的循环性能测试图Fig.4 Cycling performance of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

由图4可知，随着充放电循环次数的增加，放电比容量逐渐下降。材料在循环60圈后，放电比容量仍可达到113mAh·g-1，保持率大概为98%，表明该材料的循环性能特别优秀。

2.5 倍率性能测试

图5是在室温，电压为2.0～4.6V的条件下测得的不同倍率的性能测试。

图5 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的倍率性能测试图Fig.5 Rate capacity of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

从图5中可以看出，随着倍率的增大，放电比容量在逐渐的减小。当倍率达到5C时，放电比容量仍可达到65mAh·g-1，这可以说明，该材料在高放电倍率下电化学性能非常好，这与其良好的结构和形貌也是一致的。

3 结论

本文介绍了材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的制备方法，结构形貌测试及电化学性能。通过结构XRD测试可知该材料具有良好的层状结构，扫描电镜测试表明材料具有均匀的层状结构。电化学性能测试表明材料首次充放电容量非常高，循环性能比较好，高倍率性能比较好。

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［7］JunWang,Bao Qiu,Hailiang Cao,et al.Electrochemicalproperties of 0.6Li［Li1/3Mn1/3］O2-0.4LiNixMnyCo1-x-yO2cathode materials for lithium-ion batteries［J］.Power Source,2012（218）:128-133P.

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Research of L i1.2M n0.55Ni0.15M g0.1O2as cathodematerials for lithium ion batteries*

WU Yong-xin，DONG Zhe，DENG Chao*
（College of Chemistry and Chemical Ergineering,Harbin Normal University,Harbin 150025，China）

The cathode materials Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2was prepared by means of co-precipitation and its structure,morphology and electrochemical behavior were disscussed.X-ray photoelectron spectroscopy results suggested that excellent layered structure.XRD and SEM tests exhibits that the material and electrochemical texts showed that the higher first charge and discharge capacities,excellent cycling performance and rate capacity.

lithium-ion battery；layered structure；electrochemistry properties

TM91

A

1002-1124（2014）07-0001-03

2014-04-10

黑龙江省普通高等学校新世纪人才支持计划（No.1253-NC ET-012）

吴永新（1987-），男，内蒙古赤峰人，在读硕士研究生，研究方向：电化学。

导师简介：邓超（1978-），女，教授，博士，研究方向：电化学。