Для цитирования:
Кошкина А. А., Ярославцева Т. В., Урусова Н. В., Резницких О. Г., Хрусталев М. А., Нефёдова К. В., Журавлёв В. Д., Бушкова О. В. Бораты лития как поверхностный защитный слой для литий-марганцевой шпинели // Электрохимическая энергетика. 2024. Т. 24, вып. 2. С. 88-102. DOI: 10.18500/1608-4039-2024-24-2-88-102, EDN: BXJTPZ
Бораты лития как поверхностный защитный слой для литий-марганцевой шпинели
Иccледованы защитные свойства покрытия, нанесенного на поверхность литий-марганцевой шпинели LiMn2O4 с использованием эвтектического расплава состава Li2O : B2O3 = 47 : 53 (мас.) с температурой плавления 650°С; содержание эвтектической смеси боратов лития варьировали от 1 до 10 мас.%. Изучено электрохимическое поведение полученных материалов в макетах катодного полуэлемента литий-ионного аккумулятора при комнатной температуре и показано, что одновременно со стабилизирующим эффектом наблюдается аномально большое падение емкости литий-марганцевой шпинели. Проанализированы побочные химические реакции, протекающие между LiMn2O4 и эвтектическим расплавом боратов лития в процессе отжига при нанесении защитного слоя. Сопоставлена химическая устойчивость литий-марганцевой шпинели LiMn2O4 и марганец-содержащего твердого раствора со слоистой структурой LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 по отношению к обогащенным литием боратам.
- Кулова Т. Л., Скундин А. М. Проблемы развития литий-ионных аккумуляторов в мире и России // Электрохимическая энергетика. 2023. Т. 23, № 3. С. 111-120. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2023-23-3-111-120
- Zubi G., Dufo-López R., Carvalho M., Pasaoglu G. The lithium-ion battery: State of the art and future perspectives // Renewable Sustainable Energy Rev. 2018. Vol. 989. P. 292-308. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.002
- Yi T.-F., Zhu Y.-R., Zhu X.-D., Shu J., Yue C.- B., Zhou A.-N. A review of recent developments in the surface modification of LiMn2O4 as cathode material of power lithium-ion battery // Ionics. 2009. Vol. 915. P. 779-784. https://doi.org/10.1007/s11581-009-0373-x
- Huang Y., Dong Y., Li S., Lee J., Wang C., Zhu Z., Xue W., Li Y., Li J. Lithium manganese spinel cathodes for lithium-ion batteries // Adv. Energy Mater. 2020. Vol. 911, iss. 2. Article number 2000997. https://doi.org/10.1002/aenm.202000997
- Zuo D., Tian G., Li X., Chen D., Shu K. Recent progress in surface coating of cathode materials for lithium ion secondary batteries // J. Alloys Compd. 2017. Vol. 9706. P. 24-40. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.230
- Кулова Т. Л., Скундин А. М. Влияние температуры на характеристики литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов // Электрохимия. 2021. Т. 57, № 7. С. 700-705. https://doi.org/10.1134/S1023193521070089
- Hettesheimer T., Neef C., Rosellón Inclán I., Link S., Schmaltz T., Schuckert F., Stephan A., Stephan M., Thielmann A., Weymann L., Wicke T. Lithium-ion battery roadmap - industrialization perspectives towards 2030. Karlsruhe, Germany, Fraunhofer Institute for systems and innovation research Publ., 2023. 105 p. https://doi.org/10.24406/publica-2153
- Zhang L., Yabu T., Taniguchi I. Synthesis of spherical nanostructured LiMxMn2-xO4 (M = Ni2+ , Co3+ and Ti4+ ; 0< x <0.2) via a single-step ultrasonic spray pyrolysis method and their high rate charge-discharge performances // Mat. Res. Bull. 2009. Vol. 944. P. 707-713. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.06.017
- Park O. K., Cho Y., Lee S., Yoo H.-Ch., Cho J. Who will drive electric vehicles, olivine or spinel? // Energy Environ. Sci. 2011. Vol. 94. P. 1621-1633. https://doi.org/10.1039/C0EE00559B
- Cho J., Thackeray M. M. Structural changes of LiMn2O4 spinel electrodes during electrochemical cycling // J. Electrochem. Soc. 1999. Vol. 9146, iss. 10. P. 3577-3581. https://doi.org/10.1149/1.1392517
- Журавлев В. Д., Щеколдин С. И., Андрюшин С. Е., Шерстобитова Е. А., Нефедова К. В., Бушкова О. В. Электрохимические характеристики и фазовый состав литий-марганцевой шпинели с избытком лития Li1+xMn2O4 // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, № 3. С. 157-170. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-3-157-170
- Xia Y., Zhou Y., Yoshio M. Capacity fading on cycling of 4 V Li/LiMn2O4 cells // J. Electrochem. Soc. 1997. Vol. 9144, iss. 8. P. 2593-2600. https://doi.org/10.1149/1.1837870
- Bhandari A., Bhattacharya J. Manganese dissolution from spinel cathode: Few unanswered questions // J. Electrochem. Soc. 2016. Vol. 9164. P. A106- A127. https://doi.org/10.1149/2.0101614jes
- Сычева В. О., Чуриков А. В. Литий-марганцевые шпинели: пути повышения стабильности и энергоемкости // Электрохимическая энергетика. 2009. Т. 9, № 4. С. 175-187.
- Koshkina A. A., Yaroslavtseva T. V., Ukshe A., Kuznetsov M. V., Surikov V. T., Bushkova O. V. Surface degradation of lithium-manganese spinel in contact with lithium-hexafluorophosphate-containing electrolyte solution // Russ. J. Electrochem. 2024. Vol. 960, iss. 4. P. 263-282. https://doi.org/10.1134/S1023193524040049
- Li C., Zhang H. P., Fu L. J., Liu H., Wu Y. P., Rahm E., Holze R., Wu H. Q. Cathode materials modified by surface coating for lithium ion batteries // Electrochimica Acta. 2006. Vol. 951, iss. 19. P. 3872-3883. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.11.015
- Nisar U., Muralidharan N., Essehli R., Amin R., Belharouak I. Valuation of surface coatings in high-energy density lithium-ion battery cathode materials // Energy Storage Mater. 2021. Vol. 938. P. 309-328. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.03.015
- Ito Y., Miyauchi K., Oi T. Ionic conductivity of Li2O-B2O3 thin films // J. Non-Cryst. Solids. 1983. Vol. 957. P. 389-400. https://doi.org/10.1016/0022-3093(83)90426-X
- Jinlian L., Xianming W., Shang C. H. Enhanced high temperature performance of LiMn2O4 coated with Li3BO3 solid electrolyte // Bull. Mater. Sci. 2013. Vol. 936, iss. 4. P. 687-691. https://doi.org/10.1007/s12034-013-0513-9
- Chan H.-W., Duh J.-G., Sheen S.-R. Electrochemical performance of LBO-coated spinel lithium manganese oxide as cathode material for Li-ion battery // Surface and Coatings Technology. 2004. Vol. 9188-189. P. 116-119. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.08.065
- Şahan H., Göktepe H., Patat Ş., Ülgen A. The effect of LBO coating method on electrochemical performance of LiMn2O4 cathode material // Solid State Ionics. 2008. Vol. 9178. P. 1837-1842. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2007.11.024
- Zhu R., Zhang S., Guo Q., Zhou Y., Li J., Wang P., Gong Z. More than just a protection layer: Inducing chemical interaction between Li3BO3 and LiNi0.5Mn1.5O4 to achieve stable high-rate cycling cathode materials // Electrochimica Acta. 2020. Vol. 9324. Article number 136074. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136074
- Ying J., Wan C., Jiang C. Surface treatment of LiNi0.8Co0.2O2 cathode material for lithium secondary batteries // J. Power Sources. 2001. Vol. 9102, iss. 1- 2. P. 162-166. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00795-9
- Chen S., Chen L., Li Y., Su Y., Lu Y., Bao L., Wang J., Wang M., Wu F. Synergistic effects of stabilizing the surface structure and lowering the interface resistance in improving the low-temperature performances of layered lithium-rich materials // ACS Appl. Materials and Interfaces. 2017. Vol. 99, iss. 10. P. 8641-8648. https://doi.org/10.1021/acsami.6b13995
- Zhuravlev V. D., Nefedova K. V., Evshchik E. Yu., Sherstobitova E. A., Kolmakov V. G., Dobrovolsky Yu. A., Porotnikova N. M., Korchun A. V., Shikhovtseva A. V. Effect of lithium borate coating on the electrochemical properties of LiCoO2 electrode for lithium-ion batteries // Chimica Techno Acta. 2021. Vol. 98, iss. 1. Article number 20218101. https://doi.org/10.15826/chimtech.2021.8.1.01
- Нефедова К. В., Журавлев В. Д., Мурзакаев А. М., Ягодин В. В., Кузнецов М. В., Евщик Е. Ю., Скачков В. М., Бушкова О. В. Влияние поверхностного слоя бората лития на электрохимические свойства LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 как материала положительного электрода литий-ионного аккумулятора // Электрохимия. 2021. Т. 57, № 11. С. 654-669. https://doi.org/10.31857/S0424857021100108
- Chan H. W., Duh J. G., Sheen S. R. Microstructure and electrochemical properties of LBOcoated Li-excess Li1+xMn2O4 cathode material at elevated temperature for Li-ion battery // Electrochimica Acta. 2006. Vol. 951, iss. 18. P. 3645-3651. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.10.018
- Chan H. W., Duh J. G., Sheen S. R. Surface treatment of the lithium boron oxide coated LiMn2O4 cathode material in Li-ion battery // Key Eng. Mater. 2007. Vol. 280-283. P. 671-676. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.280-283.671
- Choi S. H., Kim J. H., Ko Y. N., Kang Y. Ch. Electrochemical properties of boron-doped LiMn2O4 nanoparticles covered with glass material prepared by high temperature flame spray pyrolysis // Int. J. Electrochem. Sci. 2013. Vol. 98. P. 1146-1162. https://doi.org/10.1016/S1452-3981(23)14087-9
- Amatucci G., Blyr A., Sigala C., Alfonse P., Tarascon J. Surface treatments of Li1+xMn2-xO4 spinels for improved elevated temperature performance // Solid State Ionics. 1997. Vol. 9104, iss. 1-2. P. 13-25. https://doi.org/10.1016/s0167-2738(97)00407-4
- Choi S. H., Kim J. H., Ko Y. N., Hong Y. J., Kang Y. C. Electrochemical properties of Li2O-2B2O3 glass-modified LiMn2O4 powders prepared by spray pyrolysis process // J. Power Sources. 2012. Vol. 9210. P. 110-115. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.03.016
- Галахов Ф. Я. Диаграммы состояния систем тугоплавких оксидов : справочник. Вып. 5. Двойные системы. Ч. I. Л. : Наука, 1985. 284 с.
- Rousse G., Baptiste B., Lelong G. Crystal Structures of Li6B4O9 and Li3B11O18 and application of the dimensional reduction formalism to lithium dorates // Inorg. Chem. 2014. Vol. 953, iss. 12. P. 6034- 6041. https://doi.org/10.1021/ic500331u
- Zhuravlev V. D., Pachuev A. V., Nefedova K. V., Ermakova L. V. Solution-combustion synthesis of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 as a cathode material for lithium-ion batteries // Int. J. Self-Propagating HighTemp. Synth. 2018. Vol. 927, iss. 3. P. 154-161. https://doi.org/10.3103/S1061386218030147
- Rodríguez-Carvajal J. Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction // Physica B. 1993. Vol. 9192, iss. 1-2. P. 55- 69. https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-I
- Ma S., Noguchi H., Yoshio M. An observation of peak split in high temperature CV studies on Li-stoichiometric spinel LiMn2O4 electrode // J. Power Sources. 2004. Vol. 9125, iss. 2. P. 228-235. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2003.08.010
- Lee Y. S., Hideshima Y., Sun Y. K., Yoshio M. The effects of lithium and oxygen contents inducing capacity loss of the LiMn2O4 obtained at high synthetic temperature // J. Electroceramics. 2002. Vol. 99. P. 209- 214. https://doi.org/10.1023/a:1023221410721.
- Veluchamy A. Boron-substituted manganese spinel oxide cathode for lithium ion battery // Solid State Ionics. 2001. Vol. 9143, iss. 2. P. 161-171. https://doi. org/10.1016/s0167-2738(01)00856-6
- Shannon R. D., Prewitt C. T. Effective ionic radii in oxides and fluorides // Acta Crystallographica Section B. 1969. Vol. 925, iss. 5. P. 925-946. https://doi.org/10.1107/s0567740869003220.
- Gao S., Shi B., Liu J., Wang L., Zhou C., Guo C., Zhang J., Li W. Boron doping and LiBO2 coating synergistically enhance the high-rate performance of LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2 cathode materials // ACS Sustain. Chem. Eng. 2021. Vol. 99, iss. 15. P. 5322-5333. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.0c09265
- Zhang X.-D., Shi J.-L., Liang J.-Y., Wang L.- P., Yin Y.-X., Jiang K.-C., Guo Y.-G. An effective LiBO2 coating to ameliorate the cathode/electrolyte interfacial issues of LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 in solid-state Li batteries // J. Power Sources. 2019. Vol. 9426. P. 242-249. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.04.017
- Han C.-G., Zhu C., Saito G., Akiyama T. Improved electrochemical performance of LiMn2O4 surface-modified by a Mn4+- rich phase for rechargeable lithium-ion batteries // Electrochimica Acta. 2016. Vol. 9209. P. 225-234. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.05.075
- Xiong L., Xu Y., Tao T., Song J., Goodenough J. B. Excellent stability of spinel LiMn2O4- based composites for lithium ion batteries // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 922. P. 24563-24568. https://doi.org/10.1039/C2JM34717B
- Ferreira E., Lima M., Zanotto E. DSC method for determining the liquidus temperature of glass-forming systems // J. Am. Ceram. Soc. 2010. Vol. 993. P. 3757-3763. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2010.03976.x
- Skvortsova I. A., Orlova E. D., Boev A. O., Aksyonov D. A., Moiseev I., Pazhetnov E. M., Savina A. A., Abakumov A. M. Comprehensive analysis of boron-induced modification in LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 positive electrode material for lithium-ion batteries // J. Power Sources. 2023. Vol. 9583. Article number 233571. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233571