ISSN 1608-4039 (Print)
ISSN 1680-9505 (Online)

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

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 26)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Литиевые электрохимические системы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
544.636+544.638
DOI: 
10.18500/1608-4039-2024-24-2-88-102
EDN: 
BXJTPZ

Бораты лития как поверхностный защитный слой для литий-марганцевой шпинели

Авторы: 
Кошкина Анастасия Александровна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Ярославцева Татьяна Владимировна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Урусова Наталья Вадимовна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Резницких Ольга Григорьевна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Хрусталев Михаил Александрович, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Нефёдова Ксения Валерьевна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Журавлёв Виктор Дмитриевич, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Бушкова Ольга Викторовна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Аннотация: 

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.

Ключевые слова: 
материалы положительного электрода
защитные покрытия
литий-марганцевая шпинель
литий-боратное покрытие
химические взаимодействия
Благодарности: 
Работа выполнена в соответствии с Государственным заданием Института химии твердого тела УрO РАН (Рег. № НИОКТР 124020600047-4 и 124020600004-7).
Список источников: 
  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. Сычева В. О., Чуриков А. В. Литий-марганцевые шпинели: пути повышения стабильности и энергоемкости // Электрохимическая энергетика. 2009. Т. 9, № 4. С. 175-187.
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. Галахов Ф. Я. Диаграммы состояния систем тугоплавких оксидов : справочник. Вып. 5. Двойные системы. Ч. I. Л. : Наука, 1985. 284 с.
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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.
  38. 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
  39. 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.
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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

 

Поступила в редакцию: 
29.03.2024
Принята к публикации: 
03.06.2024
Опубликована: 
28.06.2024