二价与四价金属离子等摩尔共掺杂的锂离子电池正极材料LiMn1.9Mg0.05Ti0.05O4的制备与表征

吴玥 刘兴泉 张峥 赵红远

引用本文: 吴玥, 刘兴泉, 张峥, 赵红远. 二价与四价金属离子等摩尔共掺杂的锂离子电池正极材料LiMn1.9Mg0.05Ti0.05O4的制备与表征[J]. 物理化学学报, 2014, 30(12): 2283-2290. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410132 shu
Citation:  WU Yue, LIU Xing-Quan, ZHANG Zheng, ZHAO Hong-Yuan. Preparation and Characterization of M(Ⅱ) and M(Ⅳ) Iso-Molar Co-Doped LiMn1.9Mg0.05Ti0.05O4 Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(12): 2283-2290. doi: 10.3866/PKU.WHXB201410132 shu

二价与四价金属离子等摩尔共掺杂的锂离子电池正极材料LiMn1.9Mg0.05Ti0.05O4的制备与表征

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21071026) (21071026)

    电子科技大学杰出人才引进项目(08JC00303)资助 (08JC00303)

摘要:

以氢氧化锂、乙酸锰、硝酸镁和钛酸丁酯为原料, 以柠檬酸为螯合剂, 采用溶胶-凝胶法制备了二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂的尖晶石型锂离子电池正极材料LiMn1.9Mg0.05Ti0.05O4. 采用热重分析(TGA), X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM)和电化学性能测试(包括循环伏安(CV)和电化学交流阻抗谱(EIS)测试)对所得样品的结构、形貌及电化学性能进行了表征. 结果表明: 780℃下煅烧12 h 得到了颗粒均匀细小的尖晶石型结构的LiMn1.9Mg0.05Ti0.05O4材料, 该材料具有良好的电化学性能, 在室温下以0.5C倍率充放电, 在4.35-3.30 V电位范围内放电比容量达到126.8 mAh·g-1, 循环50 次后放电比容量仍为118.5mAh·g-1, 容量保持率为93.5%. 在55℃高温下循环30次后的放电比容量为111.9 mAh·g-1, 容量保持率达到91.9%, 远远高于未掺杂的LiMn2O4的容量保存率. 二价镁离子与四价钛离子等摩尔共掺杂LiMn2O4, 改善了尖晶石锰酸锂的电子导电和离子导电性能, 使其倍率性能和高温性能都得到了明显的提高.

English

    1. [1]

      (1) Wang, Z. P.; Sun, F. C. Transaction of Beijing Institute of Technology 2004, 24 (12), 1053. [王震坡, 孙逢春. 北京理工大学学报, 2004, 24 (12), 1053.]

      (1) Wang, Z. P.; Sun, F. C. Transaction of Beijing Institute of Technology 2004, 24 (12), 1053. [王震坡, 孙逢春. 北京理工大学学报, 2004, 24 (12), 1053.]

    2. [2]

      (2) Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. Science 2011, 334 (6058), 928. doi: 10.1126/science.1212741(2) Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. Science 2011, 334 (6058), 928. doi: 10.1126/science.1212741

    3. [3]

      (3) Saft, M.; Chagnon, G.; Faugeras, T.; Sarre, G.; Morhet, P. J. Power Sources 1999, 80 (1-2), 180.(3) Saft, M.; Chagnon, G.; Faugeras, T.; Sarre, G.; Morhet, P. J. Power Sources 1999, 80 (1-2), 180.

    4. [4]

      (4) Tarascon, J. M.; Armand, M. Nature 2001, 414 (6861), 359. doi: 10.1038/35104644(4) Tarascon, J. M.; Armand, M. Nature 2001, 414 (6861), 359. doi: 10.1038/35104644

    5. [5]

      (5) Mukherjee, R.; Krishnan, R.; Lu, T. M.; Koratkar, N. Nano Energy 2012, 1 (4), 518. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.04.001(5) Mukherjee, R.; Krishnan, R.; Lu, T. M.; Koratkar, N. Nano Energy 2012, 1 (4), 518. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.04.001

    6. [6]

      (6) Park, O. K.; Cho, Y.; Lee, S.; Yoo, H.; Song, H.; Cho, J. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (5), 1621. doi: 10.1039/c0ee00559b(6) Park, O. K.; Cho, Y.; Lee, S.; Yoo, H.; Song, H.; Cho, J. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (5), 1621. doi: 10.1039/c0ee00559b

    7. [7]

      (7) Patey, T. J.; Büchel, R.; Ng, S. H.; Krumeich, F.; Pratsinis, S. E.; Novák. P. J. Power Sources 2009, 189, 149. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.002(7) Patey, T. J.; Büchel, R.; Ng, S. H.; Krumeich, F.; Pratsinis, S. E.; Novák. P. J. Power Sources 2009, 189, 149. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.002

    8. [8]

      (8) Shi, Z. C.; Li, C.; Yang, Y. Electrochemistry 2003, 9 (1), 9. [施志聪, 李晨, 杨勇. 电化学, 2003, 9 (1), 9.](8) Shi, Z. C.; Li, C.; Yang, Y. Electrochemistry 2003, 9 (1), 9. [施志聪, 李晨, 杨勇. 电化学, 2003, 9 (1), 9.]

    9. [9]

      (9) Fedorkorva, A.; Nacher-Alejos, A.; mez-Romero, P. Electrochim. Acta 2010, 55, 943. doi: 10.1016/j.electacta.2009.09.060(9) Fedorkorva, A.; Nacher-Alejos, A.; mez-Romero, P. Electrochim. Acta 2010, 55, 943. doi: 10.1016/j.electacta.2009.09.060

    10. [10]

      (10) Yi, T. F.; Yue, C. B.; Zhu, Y. R.; Zhu, R. S.; Hu, X. G. Rare Metal Materials and Engineering 2009, 38 (9), 1687. [伊廷锋, 岳彩波, 朱彦荣, 诸荣孙, 胡信国. 稀有金属材料与工程, 2009, 38 (9), 1687.](10) Yi, T. F.; Yue, C. B.; Zhu, Y. R.; Zhu, R. S.; Hu, X. G. Rare Metal Materials and Engineering 2009, 38 (9), 1687. [伊廷锋, 岳彩波, 朱彦荣, 诸荣孙, 胡信国. 稀有金属材料与工程, 2009, 38 (9), 1687.]

    11. [11]

      (11) Wang, Z. X.; Xing, Z. J.; Li, X. H.; Guo, H. J.; Peng,W. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2004, 20 (8), 790. [王志兴, 邢志军, 李新海, 郭华军, 彭文杰. 物理化学学报, 2004, 20 (8), 790.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20040802(11) Wang, Z. X.; Xing, Z. J.; Li, X. H.; Guo, H. J.; Peng,W. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2004, 20 (8), 790. [王志兴, 邢志军, 李新海, 郭华军, 彭文杰. 物理化学学报, 2004, 20 (8), 790.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20040802

    12. [12]

      (12) Xu, C. Q.; Tian, Y.W.; Zhai, Y. C. Journal of Materials and Metallurgy 2002, 1 (4), 243. [徐茶青, 田彦文, 翟玉春. 材料与冶金学报, 2002, 1 (4), 243.](12) Xu, C. Q.; Tian, Y.W.; Zhai, Y. C. Journal of Materials and Metallurgy 2002, 1 (4), 243. [徐茶青, 田彦文, 翟玉春. 材料与冶金学报, 2002, 1 (4), 243.]

    13. [13]

      (13) Amatucci, M.; Tarascon, J. M. J. Electrochem. Soc. 2002, 149 (12), K31.(13) Amatucci, M.; Tarascon, J. M. J. Electrochem. Soc. 2002, 149 (12), K31.

    14. [14]

      (14) Amatucci, G. G.; Pereira, N.; Zheng, T.; Tarascon, J. M. J. Electrochem. Soc. 2001, 148 (2), A171.(14) Amatucci, G. G.; Pereira, N.; Zheng, T.; Tarascon, J. M. J. Electrochem. Soc. 2001, 148 (2), A171.

    15. [15]

      (15) Hong, Y. S.; Han, C. H.; Kim, K.; Kwon, C.W.; Campet, G.; Choy, J. H. Solid State Ionics 2001, 139 (1-2), 75. doi: 10.1016/S0167-2738(00)00821-3(15) Hong, Y. S.; Han, C. H.; Kim, K.; Kwon, C.W.; Campet, G.; Choy, J. H. Solid State Ionics 2001, 139 (1-2), 75. doi: 10.1016/S0167-2738(00)00821-3

    16. [16]

      (16) Fey, G. T. K.; Lu, C. Z.; Kumar, T. P. J. Power Sources 2003, 115, 332. doi: 10.1016/S0378-7753(03)00010-7(16) Fey, G. T. K.; Lu, C. Z.; Kumar, T. P. J. Power Sources 2003, 115, 332. doi: 10.1016/S0378-7753(03)00010-7

    17. [17]

      (17) Liu, Q. S.; Yu, L. H.;Wang, H. H. J. Alloy. Compd. 2009, 486, 886. doi: 10.1016/j.jallcom.2009.07.087(17) Liu, Q. S.; Yu, L. H.;Wang, H. H. J. Alloy. Compd. 2009, 486, 886. doi: 10.1016/j.jallcom.2009.07.087

    18. [18]

      (18) Kou, D.; Liu, X. Q.; Zhang, Z.; Liu, H. J.;Wang, C. Science & Technology in Chemical Industry 2012, 20 (6), 1. [寇丹, 刘兴泉, 张峥, 刘宏基, 王超. 化工科技, 2012, 20 (6), 1.](18) Kou, D.; Liu, X. Q.; Zhang, Z.; Liu, H. J.;Wang, C. Science & Technology in Chemical Industry 2012, 20 (6), 1. [寇丹, 刘兴泉, 张峥, 刘宏基, 王超. 化工科技, 2012, 20 (6), 1.]

    19. [19]

      (19) Kang, K.; Dai, S. H.;Wan, Y. H. J. Funct. Mater. 2000, 31 (3), 283. [康慨, 戴受惠, 万玉华. 功能材料, 2000, 31 (3), 283.](19) Kang, K.; Dai, S. H.;Wan, Y. H. J. Funct. Mater. 2000, 31 (3), 283. [康慨, 戴受惠, 万玉华. 功能材料, 2000, 31 (3), 283.]

    20. [20]

      (20) Du, R. B.; Liu, T.; Kong, X. J. Chin. J. Rare Metals 2009, 33 (4), 553. [杜荣斌, 刘涛, 孔学军. 稀有金属, 2009, 33 (4), 553.](20) Du, R. B.; Liu, T.; Kong, X. J. Chin. J. Rare Metals 2009, 33 (4), 553. [杜荣斌, 刘涛, 孔学军. 稀有金属, 2009, 33 (4), 553.]

    21. [21]

      (21) Wang, Y. M.; Bao, F. Y.; Hou, X. G.; Zhou, J. China Powder Science and Technology 2009, 15 (4), 49. [王玉棉, 包飞燕, 侯新刚, 邹杰. 中国粉体技术, 2009, 15 (4), 49.](21) Wang, Y. M.; Bao, F. Y.; Hou, X. G.; Zhou, J. China Powder Science and Technology 2009, 15 (4), 49. [王玉棉, 包飞燕, 侯新刚, 邹杰. 中国粉体技术, 2009, 15 (4), 49.]

    22. [22]

      (22) Liu, X. M.; Huang, Z. D.; Oh, S.; Ma, P. C. J. Power Sources 2010, 195 (13), 4290. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.01.068(22) Liu, X. M.; Huang, Z. D.; Oh, S.; Ma, P. C. J. Power Sources 2010, 195 (13), 4290. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.01.068

    23. [23]

      (23) Michalska, M.; Lipinska, L.; Mirkowska, M.; Aksieniongek, M.; Diduszko, R.;Wasiucionek, M. Solid State Ionics 2011, 188 (1), 160. doi: 10.1016/j.ssi.2010.12.003(23) Michalska, M.; Lipinska, L.; Mirkowska, M.; Aksieniongek, M.; Diduszko, R.;Wasiucionek, M. Solid State Ionics 2011, 188 (1), 160. doi: 10.1016/j.ssi.2010.12.003

    24. [24]

      (24) Chen, K.; Donahoe, A. C.; Noh, Y. D.; Li, K.; Komarneni, S.; Xue, D. Ceram. Int. 2014, 40 (2), 3155. doi: 10.1016/j.ceramint.2013.09.128(24) Chen, K.; Donahoe, A. C.; Noh, Y. D.; Li, K.; Komarneni, S.; Xue, D. Ceram. Int. 2014, 40 (2), 3155. doi: 10.1016/j.ceramint.2013.09.128

    25. [25]

      (25) Son, J. T.; Kim, H. G.; Park, Y. Electrochim. Acta 2004, 50, 453.(25) Son, J. T.; Kim, H. G.; Park, Y. Electrochim. Acta 2004, 50, 453.

    26. [26]

      (26) Shen, P.; Huang, Y.; Liu, L.; Jia, D. J. Solid State Electr. 2006, 10 (11), 929. doi: 10.1007/s10008-005-0039-1(26) Shen, P.; Huang, Y.; Liu, L.; Jia, D. J. Solid State Electr. 2006, 10 (11), 929. doi: 10.1007/s10008-005-0039-1

    27. [27]

      (27) Prabu, M.; Reddy, M. V.; Selvasekarapandian, S.; Subba Rao, G. V.; Chowdari, B. V. R. Electrochim. Acta 2013, 88, 745. doi: 10.1016/j.electacta.2012.10.011(27) Prabu, M.; Reddy, M. V.; Selvasekarapandian, S.; Subba Rao, G. V.; Chowdari, B. V. R. Electrochim. Acta 2013, 88, 745. doi: 10.1016/j.electacta.2012.10.011

    28. [28]

      (28) Lee, D. K.; Han, S. C.; Ahn, D.; Singh, S. P.; Sohn, K. S.; Pyo, M. ACS Appl. Mater. Inter. 2012, 4 (12), 6841.(28) Lee, D. K.; Han, S. C.; Ahn, D.; Singh, S. P.; Sohn, K. S.; Pyo, M. ACS Appl. Mater. Inter. 2012, 4 (12), 6841.

    29. [29]

      (29) Hu, G. J.; Ouyang, C. Y. Acta Phys. Sin. 2010, 59 (8), 5864. [胡国进, 欧阳楚英. 物理学报, 2010, 59 (8), 5864.](29) Hu, G. J.; Ouyang, C. Y. Acta Phys. Sin. 2010, 59 (8), 5864. [胡国进, 欧阳楚英. 物理学报, 2010, 59 (8), 5864.]

    30. [30]

      (30) Huang, B.; Li, X.;Wang, Z.; Guo, H.; Xiong, X.;Wang, J. J. Alloy. Compd. 2014, 583, 313. doi: 10.1016/j.jallcom.2013.08.157(30) Huang, B.; Li, X.;Wang, Z.; Guo, H.; Xiong, X.;Wang, J. J. Alloy. Compd. 2014, 583, 313. doi: 10.1016/j.jallcom.2013.08.157

    31. [31]

      (31) Wang, Z. P.; Liu,W.;Wang, Y.; Zhao, C. S.; Zhang, S. P.; Chen, J. T.; Zhou, H. H.; Zhang, X. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (9), 2084. [王震坡, 刘文, 王悦, 赵春松, 张淑萍, 陈继涛, 周恒辉, 张新祥. 物理化学学报, 2012, 28 (9), 2084.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201207043(31) Wang, Z. P.; Liu,W.;Wang, Y.; Zhao, C. S.; Zhang, S. P.; Chen, J. T.; Zhou, H. H.; Zhang, X. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (9), 2084. [王震坡, 刘文, 王悦, 赵春松, 张淑萍, 陈继涛, 周恒辉, 张新祥. 物理化学学报, 2012, 28 (9), 2084.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201207043

    32. [32]

      (32) Xiao, L.; Guo, Y.; Qu, D.; Deng, B.; Liu, H.; Tang, D. J. Power Sources 2013, 225, 286. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.10.070(32) Xiao, L.; Guo, Y.; Qu, D.; Deng, B.; Liu, H.; Tang, D. J. Power Sources 2013, 225, 286. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.10.070

    33. [33]

      (33) Singh, S.; Mitra, S. Electrochim. Acta 2014, 123, 378. doi: 10.1016/j.electacta.2014.01.045(33) Singh, S.; Mitra, S. Electrochim. Acta 2014, 123, 378. doi: 10.1016/j.electacta.2014.01.045

    34. [34]

      (34) Ohzuku, T.; Kitagawa, M.; Hirai, T. J. Electrochem. Soc. 1990, 137 (3), 769. doi: 10.1149/1.2086552(34) Ohzuku, T.; Kitagawa, M.; Hirai, T. J. Electrochem. Soc. 1990, 137 (3), 769. doi: 10.1149/1.2086552

    35. [35]

      (35) Zhuang, Q. C.;Wei, T.;Wei, G. Z.; Dong, Q. F.; Sun, S. G. Acta Chim. Sin. 2009, 67 (19), 2184. [庄全超, 魏涛, 魏国祯,董全峰, 孙世刚. 化学学报, 2009, 67 (19), 2184.](35) Zhuang, Q. C.;Wei, T.;Wei, G. Z.; Dong, Q. F.; Sun, S. G. Acta Chim. Sin. 2009, 67 (19), 2184. [庄全超, 魏涛, 魏国祯,董全峰, 孙世刚. 化学学报, 2009, 67 (19), 2184.]

    36. [36]

      (36) Xia, Y. Y.; Sakai, T.; Fujieda, T.; Yang, X. Q. J. Electrochem. Soc. 2001, 148 (7), A723.(36) Xia, Y. Y.; Sakai, T.; Fujieda, T.; Yang, X. Q. J. Electrochem. Soc. 2001, 148 (7), A723.

    37. [37]

      (37) Xiong, L.; Xu, Y.; Tao, T.; odenough, J. B. J. Power Sources 2012, 199, 214. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.09.062

      (37) Xiong, L.; Xu, Y.; Tao, T.; odenough, J. B. J. Power Sources 2012, 199, 214. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.09.062

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  307
  • 文章访问数:  786
  • HTML全文浏览量:  13
文章相关
  • 发布日期:  2014-11-27
  • 收稿日期:  2014-07-09
  • 网络出版日期:  2014-10-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章