Cd|KOH|NiOOH

Zn|NH4CI|MnO2

Li|LiClO4|MnO2

Pb|H2SO4|PbO2

H2|KOH|O2

Электрохимические характеристики и фазовый состав литий-марганцевой шпинели с избытком лития Li_(1 + x)Mn₂O₄

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

В работе представлены результаты исследования фазового состава и электрохимического поведения литий-марганцевой шпинели с избытком лития номинального состава Li1 + xMn2O4, синтезированной твердофазным методом. Установлено, что образцы с x = 0.1 и x = 0.2 представляют собой композитные материалы с основной фазой LiMn2O4, примесью Li2MnO3 (3 и 7 мас.% соответственно) и следовыми количествами MnO2. Композитный материал с 3%-ной фазы Li2MnO3 (x = 0.1) после 300 зарядно-разрядных циклов в режиме C/2 сохранил 80–90% от начальной удельной ёмкости, тогда как однофазная стехиометрическая шпинель LiMn2O4 – менее 70–75%.

Литература

1. Добровольский Ю. А., Бушкова О. В., Астафьев Е. А., Евщик Е. Ю., Каюмов Р. Р., Корчун А. В., Дрожжин О. В. Литий-ионные аккумуляторы для электротранспорта. Черноголовка : ИПХФ РАН, 2019. 110 с.

2. Blomgren G. E. The development and future of lithium ion batteries // J. Electrochem. Soc. 2017. Vol. 164, № 1. P. A5019–A5025. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0251701jes

3. Schmuch R., Wagner R., Hörpel G., Placke T., Winter M. Performance and cost of materials for lithium-based rechargeable automotive batteries // Nat. Energy. 2018. Vol. 3, № 4. P. 267–278. DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-018-0107-2

4. Julien C. M., Mauger A., Zaghib K., Groult H. Comparative issues of cathode materials for Li-ion batteries // Inorganics. 2014. Vol. 20. P. 132–154. DOI: https://doi.org/10.3390/inorganics2010132

5. Mauger A., Julien C. M. Critical review on lithium-ion batteries : are they safe? Sustainable? // Ionics. 2017. Vol. 23, № 8. P. 1933–1947. DOI: https://doi.org/10.1007/s11581-017-2177-8

6. Whittingham M. S. Lithium batteries and cathode materials // Chem. Rev. 2004. Vol. 104, № 10. P. 4271–4302. DOI: https://doi.org/10.1021/cr020731c

7. Bruce P. G. Energy storage beyond the horizon : Rechargeable lithium batteries // Solid State Ionics. 2008. Vol. 179, № 21–26. P. 752–760. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.01.095

8. Nitta N., Wu F., Lee J. T., Yushin G. Li-ion battery materials : present and future // Mater. Today. 2015. Vol. 18, № 5. P. 252–264. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040

9. Winter M., Besenhard J. O., Spahr M. E., Novák P. Insertion electrode materials for rechargeable lithium batteries // Adv. Mater. 1998. Vol. 10, № 10. P. 725–763. DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-4095(199807)10:10<725::AID-ADMA725>3.0.CO;2-Z

10. Daniel C., Mohanty D., Li J., Wood D. L. Cathode materials review // AIP Conf. Proc. 2014. Vol. 1597. P. 26–43. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4878478

11. Sheth J., Karan N. K., Abraham D. P., Nguyen C. C., Lucht B. L., Sheldon B. W., Guduru P. R. In situ stress evolution in Li1 + xMn2O4 thin films during electrochemical cycling in Li-ion cells // J. Electrochem. Soc. 2016. Vol. 163, № 13. P. A2524–A2530. DOI: https://doi.org/10.149/2.0161613jes

12. Ledwaba R. S., Sayle D. C., Ngoepe P. E. Atomistic simulation and characterisation of spinel Li1 + xMn2O4 (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles // ACS Appl. Energy Mater. 2020. Vol. 3, № 2. P. 1429–1438. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01870

13. Shibiri B., Ledwaba R. S., Ngoepe P. E. Discharge induced structural variation of simulated bulk Li1 + xMn2O4 (0 ≤ x ≤ 1) // Opt. Mater. 2019. Vol. 92. P. 67–70. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.050

14. Tarascon J. M., Guyomard D. Li Metal-free rechargeable batteries based on Li1 + xMn2O4 cathodes (0 ≤ x ≤ 1) and carbon anodes // J. Electrochem. Soc. 1991. Vol. 138, № 10. P. 2864–2868. DOI: https://doi.org/10.1149/1.2085331

15. Chan H. W., Duh J. G., Sheen S. R. LiMn2O4 cathode doped with excess lithium and synthesized by co-precipitation for Li-ion batteries // J. Power Sources. 2003. Vol. 115. P. 110–118. DOI: https://doi.org/10.1016/s0378-7753(02)00616-x

16. Li B., Chen M., Bai H., Huang X., Guo J. Synthesis, characterization and electrochemical properties of Li1 + xMn2O4 spinels prepared by solution combustion synthesis // Adv. Mater. Res. 2013. Vol. 652–654. P. 891–895. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AM~R.652-654.891

17. Tarascon J. M., Guyomard D., Baker G. L. An update of the Li metal-free rechargeable battery based on Li1 + xMn2O4 cathodes and carbon anodes // J. Power Sources. 1993. Vol. 44, № 1–3. P. 689–700. DOI: https://doi.org/10.1016/0378-7753(93)80220-J

18. Chan H. W., Duh J. G., Sheen S. R. Microstructure and electrochemical properties of LBO-coated Li-excess Li1 + xMn2O4 cathode material at elevated temperature for Li-ion battery // Electrochim. Acta. 2006. Vol. 51. P. 3645–3651. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.10.018

19. Wang Y., Nishiuchi S., Kuroki T., Yamasaki N., Takikawa S., Bignall G. Hydrothermal synthesis of spinel Li1 + xMn2O4 as cathode material for rechargeable lithium battery // Int. J. High Pressure Res. 2001. Vol. 20. P. 299–305. DOI: https://doi.org/10.1080/08957950108206177

20. Rodrı́guez-Carvajal J. Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction // Physica B. 1993. Vol. 192, № 1–2. P. 55–69. DOI: https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-I

21. Julien C., Mauger A., Vijh A., Zaghib K. Lithium Batteries : Science and Technology. New York, etc. : Springer, 2016. P. 175–180.

22. Jiao F., Bao J., Hill A. H., Bruce P. G. Synthesis of ordered mesoporous Li–Mn–O spinel as a positive electrode for rechargeable lithium batteries // Angew. Chem. 2008. Vol. 120. P. 9857–9862. DOI: https://doi.org/10.1002/ange.200803431

23. 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 // Electrochim. Acta. 2016. Vol. 209. P. 225–234. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.05.075

24. Reddy K. S., Gangaja B., Nair S. V., Santhanagopalan D. Mn4+ rich surface enabled elevated temperature and full-cell cycling performance of LiMn2O4 cathode material // Electrochim. Acta. 2017. Vol. 250. P. 359–367. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.08.054

25. Yu H., Dong X., Pang Y., Wang Y., Xia Y. High power lithium-ion battery based on spinel cathode and hard carbon anode // Electrochim. Acta. 2017. Vol. 228. P. 251–258. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.01.096

26. 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. 22. P. 24563–24568. DOI: https://doi.org/10.1039/C2JM34717B

27. Komaba S., Sasaki T., Kumagai N. Preparation and electrochemical performance of composite oxide of alpha manganese dioxide and Li–Mn–O spinel // Electrochim. Acta. 2005. Vol. 50. P. 2297–2305. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2004.10.056

Текст в формате PDF:
(downloads: 61)