朱志然,葉 鵬,劉永超,梁 鑫,孫 毅,項(xiàng)宏發(fā)
(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
鈷酸鋰(LiCoO2,簡稱LCO)的開發(fā)利用有力地推動了鋰離子電池的商業(yè)化[1,2]。如今,盡管磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元(NCM、NCA)等多種鋰離子電池正極材料得到了快速發(fā)展,LCO憑借自身超高的體積能量密度、優(yōu)異的電化學(xué)性能依舊占據(jù)了大部分3C產(chǎn)品(筆記本電腦、移動通訊設(shè)備、消費(fèi)電子)用鋰離子電池正極材料市場[3-5]。隨著3C產(chǎn)品的更新迭代,消費(fèi)者對LCO電池的能量密度、充電速度有了越來越高的要求。LCO的理論比容量高達(dá)274 mAh g-1,但其實(shí)際可利用比容量遠(yuǎn)低于此(~140 mAh g-1,4.2 V vs. Li/Li+)。提高LCO的應(yīng)用截止電壓,可以使更多的Li+從LCO內(nèi)部脫出,從而提高其比容量(~185 mAh g-1,4.5 V vs. Li/Li+),然而高的應(yīng)用截止電壓在提高LCO實(shí)際比容量的同時也極大地降低了其使用壽命[6,7]。
引發(fā)高電壓LCO失效、使用壽命減少的原因眾多。首先,更多的脫Li量使得LCO在充放電過程中發(fā)生更加劇烈的晶體結(jié)構(gòu)和體積方面的變化:LCO的相變可逆性變差,容量迅速衰減;體積不斷收縮膨脹,加速裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,導(dǎo)致LCO粉化,與導(dǎo)電劑、集流體分離造成容量的不可逆損失[8]。其次,高的應(yīng)用截止電壓會加劇界面副反應(yīng):電解液不斷發(fā)生氧化分解,生成不穩(wěn)定的CEI(Cathode Electrolyte Interface);LCO表層相由層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變惰性的尖晶石、鹽巖結(jié)構(gòu)阻礙電子和離子的傳導(dǎo)增加電極極化;Co元素加速溶解并引發(fā)晶格氧的釋放,對LCO電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性造成很大的負(fù)面影響[9]。
針對高電壓LCO的失效原因,主要的改性方法有三種:體相摻雜[10]、表面包覆[11]和高電壓電解液添加劑的使用[12,13]。其中表面包覆的效果顯著,應(yīng)用廣泛。表面包覆能夠有效地減少電解液和LCO之間的直接接觸,從而減少界面副反應(yīng)。此外,在包覆過程中部分包覆元素會摻雜到LCO表層,生成固溶體層或某種新相提高了材料的表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[14]。然而目前大多數(shù)包覆材料為惰性材料(Al2O3[15]、MgO[16]、ZrO2[17]等),在保護(hù)基體的同時也阻礙了電子和離子的傳導(dǎo),無法同時滿足高循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率性能的要求。在LCO表面原位包覆一層離子導(dǎo)體是可行的兩者兼顧(循環(huán)和倍率性能)的辦法,并且原位生成包覆層的手段有助于包覆層和LCO基體之間實(shí)現(xiàn)更加緊密的結(jié)合,從而更好的保護(hù)基體材料。
本文采用高溫固相燒結(jié)法,在LCO表面原位生成一層離子導(dǎo)體Li4Ti5O12(簡稱LTO),LTO是一種零應(yīng)變材料具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,并且有著較高的離子電導(dǎo)[18],在保護(hù)基體材料提高其循環(huán)穩(wěn)定性的同時也提高了倍率性能。此外,包覆后LCO表面的形貌也發(fā)生了非常有趣的變化,在長時間的高溫作用下Li2CO3分解并損失了一部分Li,這部分Li由LCO從內(nèi)部析出來補(bǔ)充,原位生成LTO的同時也明顯改變了LCO表面形貌。這種析Li反應(yīng)有利于LCO和包覆層之間實(shí)現(xiàn)更加緊密的結(jié)合,保護(hù)基體材料和提高其離子電導(dǎo)。LTO包覆改性的LCO在4.5 V(vs. Li/Li+)充電截止電壓下,1 C(160 mA g-1)循環(huán)100圈后仍有110.67 mAh g-1比容量,10 C大電流下仍有157.9 mAh g-1的比容量,均高于未改性LCO的40.87 mAh g-1和76.19 mAh g-1。
Co3O4(電池級,合肥融捷能源材料有限公司),Li2CO3(AR,國藥),納米TiO2(電池級,宣城晶和新材料有限公司)。
按化學(xué)計(jì)量Li∶Co=1.03的比值將Li2CO3和Co3O4在研缽中充分研磨混合,將研磨混合好后的粉末在馬弗爐中空氣氛圍燒結(jié),升溫速率為3 ℃/min,升到950 ℃后保溫16 h,隨爐自然冷卻至室溫,然后將燒結(jié)好的樣品在研缽中充分研磨,所得粉末即LCO。
按化學(xué)計(jì)量Li∶Ti=4∶5的比值將Li2CO3和納米TiO2在研缽充分研磨混合,然后分別按照LTO(最終生成的)和LCO質(zhì)量比為0.5%、1%、2%、20%的比例加入上述合成的LCO,再次充分研磨混合,接著將研磨混合好的粉末放入馬弗爐中空氣氛圍煅燒,升溫速率為3 ℃/min,升到800 ℃后保溫10 h,隨爐自然冷卻至室溫,最終將燒結(jié)好的材料在研缽中充分研磨,所得的一系列樣品分別標(biāo)記為LCO@0.5 wt.% LTO、LCO@1 wt.% LTO、LCO@2 wt.% LTO、LCO@20 wt.% LTO。
材料的晶體結(jié)構(gòu)、顯微形貌、元素分布狀態(tài)及含量分別由X-Pert PRO MPD型固定靶X射線衍射儀、SU8020型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡、JEM-1400flash型LaB6透射電子顯微鏡和ICAP-RQ型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀所表征測試得來。
正極極片制備:將正極材料LCO、粘結(jié)劑PVDF、導(dǎo)電炭黑SP按照84∶8∶8的質(zhì)量比和適量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶劑混合,利用震蕩球磨機(jī)攪拌形成粘度適中的均勻漿料,然后用刮刀將漿料均勻涂敷在鋁箔(正極集流體)上,之后放在鼓風(fēng)干燥箱中80 ℃干燥6 h,待NMP揮發(fā)完全后用滾壓機(jī)將其壓實(shí)并用沖片機(jī)將其裁成直徑14 mm的圓形正極片,最后將所得極片在真空烘箱中60 ℃干燥6 h后放置在充滿氬氣手套箱(O2<0.01,H2O<0.01)中備用。將上述制備好的正極片和鋰金屬負(fù)極在手套箱中組裝成2032型紐扣電池,電池所用隔膜為聚乙烯(PE),所用電解液成分為1 mol/L 六氟磷酸鋰(LiPF6)/碳酸乙烯酯+碳酸二乙酯(EC+DEC,1∶1,w/w),用量為80 μL。
用CHI604D電化學(xué)工作站進(jìn)行電池的交流阻抗測試(測試頻率0.01 Hz~100 kHz)以及循環(huán)伏安測試(掃描范圍3.0 V~4.5 V,掃速0.1 mV/min)。采用BTS2000型號新威電池測試儀表征電池的循環(huán)和倍率性能,電池在測試循環(huán)和倍率性能前均用0.1 C小電流活化兩圈,充電采用恒電流恒壓模式(充電至固定電壓后保持恒壓直至電流降至0.1 C)。循環(huán)性能測試:充放電電壓區(qū)間3.0 V-4.5 V,1 C循環(huán)。倍率性能測試:充放電電壓區(qū)間3.0 V-4.5 V,0.5 C小電流充電至4.5 V然后以不同的電流密度放電(0.5 C、1 C、2 C、5 C和10 C)。
為了觀察包覆前后樣品形貌的變化,我們對所合成的樣品進(jìn)行了SEM和TEM測試,如圖1所示。圖1(a)為原始LCO的SEM圖,可以發(fā)現(xiàn)樣品呈現(xiàn)不規(guī)則的多面體形態(tài),表面光滑,具有明顯的單晶特征,說明所合成LCO具有良好的結(jié)晶度。圖1(b)、(c)、(d)分別為LCO@0.5 wt.% LTO、LCO@1 wt.% LTO、LCO@2 wt.% LTO樣品的SEM圖??梢郧逦陌l(fā)現(xiàn)包覆改性后LCO的形貌發(fā)生了非常顯著的變化,LCO的表面出現(xiàn)了明顯的“圓環(huán)”,并且隨著包覆量的增加這種“圓環(huán)”也越多,這說明“圓環(huán)”的產(chǎn)生和包覆層有很大的關(guān)系。在高溫?zé)崽幚磉^程中,Li2CO3分解并產(chǎn)生了部分損失,LCO中的部分Li析出以補(bǔ)充損失的Li參與LTO的成相反應(yīng),導(dǎo)致了“圓環(huán)”的形成,圖2的示意圖形象的展示了這一過程,具體的反應(yīng)式如(1)式。
TiO2+Li2CO3+LiCoO2→Li4Ti5O12+Li(1-σ)CoO2+CO2
(1)
圖1(e)、(f)分別為LCO@1 wt.% LTO和原始LCO樣品的TEM圖,可以發(fā)現(xiàn)原始LCO的表面非常的光滑規(guī)整,而改性后的LCO表面存在一層粗糙參差不齊的陰影,這是LCO表面原位生成的LTO包覆層,下文的XRD衍射圖譜也進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)。圖1(g)為LCO@1 wt.% LTO材料中Co、O、Ti元素的EDS maping圖,可以發(fā)現(xiàn)Ti元素分布的非常均勻,說明LTO包覆層在LCO表面是均勻形成的。
圖1 (a)原始LCO,(b) LCO@0.5 wt.% LTO,(c) LCO@1 wt.% LTO,(d) LCO@2 wt.% LTO的SEM圖;(e) LCO@1 wt.% LTO,(f) 原始LCO的TEM圖;(g) LCO@1 wt.% LTO的EDS maping圖Fig.1 SEM images of (a) Pristine LCO,(b) LCO@0.5 wt.% LTO,(c) LCO@1 wt.% LTO,(d) LCO@2 wt.% LTO;TEM images of (e) LCO@1 wt.% LTO,(f) Pristine LCO;(g) EDS maping of LCO@1 wt.% LTO.
為了進(jìn)一步分析包覆改性前后LCO晶體結(jié)構(gòu)的變化,我們又對樣品進(jìn)行了XRD測試分析。圖3(a)為原始LCO包覆前后的XRD圖譜,從中可以發(fā)現(xiàn)所合成的原始LCO和LCO的標(biāo)準(zhǔn)圖譜(PDF#50-0653)高度吻合,表明制備的樣品為六方晶系、層狀α-NaFeO2結(jié)構(gòu)、空間群為R3m。且衍射峰強(qiáng)度高、輪廓清晰、(006)/(012)和(108)/(110)峰清晰分離,表明制備的樣品具有良好的結(jié)晶度。相比較原始LCO,LCO@LTO的XRD衍射峰并未發(fā)生明顯變化,也未發(fā)現(xiàn)LTO相,可能是因?yàn)榘驳牧窟^少,為此我們將LTO的包覆量提升到20%,如圖3(c)所示,可以在LCO@20 wt.% LTO的XRD衍射圖譜中清晰的發(fā)現(xiàn)LTO相的存在。此外為了確定LTO的最終包覆量,我們又對樣品進(jìn)行ICP測試,測試結(jié)果如表1所示,基本和最初的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相吻合。圖3(b)是圖3(a)綠色線框的放大圖,可以發(fā)現(xiàn)相比較原始LCO,LCO@LTO的(003)衍射峰相對右移,這意味著LCO的晶格發(fā)生了一定程度的收縮,并且包覆量越多右移現(xiàn)象越明顯,晶格收縮程度越大,這因?yàn)長CO析出了部分Li參與LTO的成相反應(yīng)導(dǎo)致了晶格產(chǎn)生了一定程度的收縮[19]。
圖2 LiCoO2表面原位包覆Li4Ti5O12流程圖Fig.2 Schemes of the in-situ Li4Ti5O12 coating process on LiCoO2.
圖3 原始LCO包覆改性前后的XRD衍射圖 (a) 2θ:10°~72°,(b) 2θ:19°;(c) LCO@20 wt.% LTOFig.3 XRD diffraction patterns of LCO before and after coating modification(a) 2θ range from 10°to 72°,(b) 2θ around 19°;(c) LCO@20 wt.% LTO.
為了評估包覆改性對LCO電化學(xué)性能的影響,我們又對其進(jìn)行循環(huán)性能測試,如圖4所示。圖4(a)為LCO包覆前后的首圈充放電曲線,LCO、LCO@0.5 wt.% LTO、LCO@1 wt.% LTO、LCO@2 wt.% LTO的首圈放電比容量分別為:187、183.57、180.3、168.46 mAh g-1可以發(fā)現(xiàn)隨著LTO包覆量的增多,LCO的首圈放電比容量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,一方面是因?yàn)長TO在3.0 V-4.5 V的電壓區(qū)間不貢獻(xiàn)容量,另一方面是因?yàn)長CO析出了部分Li用于合成LTO相,導(dǎo)致其自身容量降低。圖4(b)為LCO包覆改性前后在1 C電流密度充放電情況下的循環(huán)性能,可以發(fā)現(xiàn)包覆改性后LCO的循環(huán)穩(wěn)定性均有所提升,其中LCO@2 wt.% LTO的提升效果最明顯,1 C循環(huán)100圈后相比較第三圈其放電比容量保持率為64%,而未改性的原始LCO僅為25%。圖4(c)、(d)分別為原始LCO和LCO@2 wt.% LTO在不同循環(huán)圈數(shù)的充放電曲線,可以發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)圈數(shù)的增加原始LCO的放電容量迅速衰減,電極極化(恒壓充電貢獻(xiàn)容量、充放電中值電壓差)不斷增加,而LCO@2 wt.% LTO的容量衰減情況以及電極極化增加現(xiàn)象要減弱很多。此外圖4(c)、(d)中綠色橢圓形線框中的小平臺對應(yīng)著LCO在充電過程的單斜相變(O3-2→M1→O3),可以發(fā)現(xiàn)原始LCO在1 C循環(huán)20圈后單斜相變就已經(jīng)消失,而LCO@2 wt.% LTO的小平臺依舊清晰可見,這充分說明包覆層的存在能夠保護(hù)基體材料,緩解高電壓LCO在充放電過程中相結(jié)構(gòu)的破壞,減少界面副反應(yīng)以及電極極化現(xiàn)象,從而延長高電壓LCO的循環(huán)使用壽命。
圖4 LCO和LCO@LTO半電池的 (a) 首圈充放電曲線,(b) 1C電流密度下循環(huán)性能;(c) LCO和 (d) LCO@2 wt.% LTO半電池在1C電流密度下不同圈數(shù)充放電曲線Fig.4 (a) Initial charge-discharge voltage profiles and (b) cycling performance at 1 C current density of LCO and LCO@LTO half-cell;(c) LCO and (d) LCO@2 wt.% LTO half-cell charge-discharge voltage profiles for selected cycles at 1 C current density.
圖5 LCO和LCO@LTO的 (a) 倍率性能和 (b) 不同電流密度下的放電容量;(c) LCO和 (d) LCO@0.5 wt.% LTO在不同電流下的放電曲線Fig.5 (a) Rate performance and (b) discharge capacity at different current densities of LCO and LCO@LTO;discharge curves at different current densities of (c) LCO and (d) LCO@0.5 wt.% LTO.
如圖5(a)、(b)所示,LCO和LCO@LTO半電池以0.5 C的電流密度充電至4.5 V,然后以不同的電流密度(0.5 C、1 C、2 C、5 C和10 C)放電。相比較原始LCO,LCO@LTO的倍率性能均到了大幅的提升,其中LCO@0.5 wt.% LTO的倍率性能最好,即便是在10 C大電流密度下仍具有157.9 mAh g-1比容量,這幾乎是0.5 C電流密度下放電容量的86%,而未改性的原始LCO在10 C下的放電容量為72.32 mAh g-1,僅有0.5 C電流密度下放電容量的39%。當(dāng)放電電流由10 C恢復(fù)到0.5 C時,LCO@0.5 wt.% LTO的放電容量恢復(fù)到初始容量的97%,而原始LCO的放電容量僅恢復(fù)到初始容量的89%。這一結(jié)果清晰的表明LTO包覆能夠有效提高LCO的倍率性能。這是因?yàn)長TO本身具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較高離子電導(dǎo)。圖5(c)、(d)分別為原始LCO和LCO@0.5 wt.% LTO半電池在不同電流密度下的放電曲線,可以發(fā)現(xiàn)隨著放電電流密度的增加,原始LCO的放電比容量和放電電壓平臺迅速衰減,在5 C和10 C大電流下放電曲線出現(xiàn)了不穩(wěn)定的波動現(xiàn)象。而LCO@0.5 wt.% LTO的放電電壓平臺以及容量衰減的情況要減弱很多,這說明LTO包覆能夠加快Li+在電極內(nèi)部的擴(kuò)散速度,減小大電流充放電下的電極極化。
表1 通過ICP測試所得樣品中Co,Ti,LTO的含量Table 1 Content of Co,Ti and LTO in samples measured by ICP.
我們又對LCO和LCO@1 wt.% LTO半電池進(jìn)行循環(huán)伏安測試(CV)。LCO在充放電過程中會經(jīng)歷多個相變,CV曲線可以清晰反應(yīng)這一特征[20]。如圖6所示在4.0 V左右的氧化峰對應(yīng)著LCO在充電過程中O3-1→O3-2相變,在4.1 V和4.2 V左右的氧化峰對應(yīng)著O3-2→M1→O3相變,4.5V左右的氧化峰對應(yīng)著O3→H1-3相變。圖6(a)為原始LCO的前三圈的CV的曲線,可以發(fā)現(xiàn)隨著圈數(shù)的增加氧化還原峰的強(qiáng)度逐漸減弱,ΔV逐漸增大,這意味著LCO的相變惡化,電極極化增加。圖6(b)為LCO@1 wt.% LTO的前三圈CV曲線,隨著循環(huán)圈數(shù)的增加CV曲線的變化趨勢呈現(xiàn)和原始LCO的CV曲線完全相反的現(xiàn)象,氧化還原峰變得更強(qiáng)更尖銳,ΔV變得更小,這體現(xiàn)了LCO@LTO的活化過程。LCO@LTO表面的離子通道在電場的作用下得以充分的激活,Li+的擴(kuò)散能壘降低,擴(kuò)散速率增加。圖6(c)為LCO和LCO@1 wt.% LTO第三圈的CV曲線,通過對比可以明顯的發(fā)現(xiàn)LCO@1 wt.% LTO CV曲線的氧化還原峰要更強(qiáng)更尖銳,這意味Li+在LCO@1 wt.% LTO內(nèi)有著更快的擴(kuò)散速率,這是因?yàn)長TO包覆層具有更高的離子電導(dǎo),并且在包覆過程LCO析Li反應(yīng)導(dǎo)致LCO存在一定程度的Li缺陷,這也進(jìn)一步提高Li+在LCO@1 wt.% LTO內(nèi)的擴(kuò)散速率。
圖6 (a) LCO和 (b) LCO@1 wt.% LTO半電池前三圈的循環(huán)伏安曲線;(c) LCO和LCO@1 wt.% LTO半電池第三圈的循環(huán)伏安曲線Fig.6 (a) Cyclic voltammograms for the first three cycles of the LCO and (b) LCO@1 wt.% LTO half-cell;(c) Cyclic voltammograms for the third cycle of the LCO and LCO@1 wt.% LTO half-cell.
圖7為原始LCO和LCO@1 wt.% LTO在不同循環(huán)圈數(shù)的交流阻抗圖譜,所有電池在循環(huán)完成后充至4.5 V再進(jìn)行交流阻抗的測試。奈奎斯特圖由高頻、中頻區(qū)域的兩個半圓和低頻區(qū)域的一條斜線組成。在高頻時Z′軸處的截距相當(dāng)于電極的歐姆電阻(Rs),第一個半圓反映Li+通過界面膜的電阻(Rf),第二半圓與界面電荷轉(zhuǎn)移電阻有關(guān)(Rct),而低頻中的斜線與活性材料中Li+擴(kuò)散的電阻有關(guān),即Warburg阻抗(W)[21]。圖7(a)、(b)、(c)分別為LCO和LCO@1 wt.% LTO在0.1 C活化兩圈、1 C循環(huán)50圈和1 C循環(huán)100圈后的交流阻抗圖譜。為了更加直觀的觀察包覆改性前后LCO隨著循環(huán)圈數(shù)的增加導(dǎo)致的阻抗值的變化,我們又將圖7(a)、(b)、(c)組合成了三維圖7(d)。通過對比可以清晰的發(fā)現(xiàn),LCO和LCO@1 wt.% LTO在電荷交流阻抗(Rct)方面有著明顯的差異,首先在0.1 C活化兩圈后,LCO@1 wt.% LTO的Rct值要明顯更小,這是因?yàn)長TO本身具有較高的離子電導(dǎo),并且熱處理過程的析Li反應(yīng)也進(jìn)一步提高的了LCO體相的離子電導(dǎo)。其次,隨著循環(huán)圈數(shù)的增加原始LCO和LCO@1 wt.% LTO的Rct值均有所增加,這是因?yàn)楦唠妷合碌慕缑娓狈磻?yīng),導(dǎo)致LCO表面生成過多的CEI(Cathode Electrolyte Interface)以及惰性的尖晶石或鹽巖相,阻礙電子和離子的傳輸,從而導(dǎo)致Rct的增加。然而LCO@1 wt.% LTO的Rct值的增幅要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始LCO,這說明LTO包覆層的存在能夠有效的保護(hù)LCO,穩(wěn)定其表面結(jié)構(gòu),減少電解液和LCO的直接接觸,從而減少電解液的氧化分解,惰性相的生成,繼而減少電荷轉(zhuǎn)移阻抗的增加。
圖7 LCO和 LCO@1 wt.% LTO半電池在(a) 0.1 C活化兩圈,(b) 1 C循環(huán)50圈,(c) 1 C循環(huán)100圈后阻抗;(d) 圖(a),(b),(c)的三維立體組合圖Fig.7 Impedance of LCO and LCO@1 wt.% LTO half-cell after (a) two cycles of 0.1 C,(b) 50 cycles of 1 C,(c) 100 cycles of 1 C;(d) three-dimensional combination of diagrams (a),(b) and (c).
通過簡單的機(jī)械研磨和高溫固相燒結(jié),TiO2、Li2CO3和LCO相互作用,成功得到LTO包覆的改性LCO材料。在高溫?zé)崽幚磉^程中,LCO中部分Li從內(nèi)部析出并參與到表面LTO包覆層的形成,從而在LCO表面形成了眾多“圓環(huán)”狀的奇特形貌,促進(jìn)了表面包覆層LTO與LCO本體的牢固結(jié)合。測試結(jié)果表明,LTO包覆層能夠有效地保護(hù)基體材料,減少電極和電解液的界面副反應(yīng),降低界面阻抗和電極極化。而且,LTO包覆層可以抑制LCO體相結(jié)構(gòu)的不可逆變化,提高了LCO在高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。此外,由于LTO的高離子電導(dǎo)特性,以及析Li反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷顯著提升了LCO的倍率性能,LCO@1 wt.% LTO在10 C(1600 mA g-1)大電流密度下仍有157.9 mAh g-1高比容量,而原始LCO僅有72.32 mAh g-1的容量。因此,原位LTO包覆是提高高電壓LCO的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的可行手段。