Citation: Ming-Ming REN, Ze-Ping LIU, Zhen-Luo YUAN, Yang WANG, Guang-Xin FAN, Bao-Zhong LIU, Cheng-Guo LUO. Microscopic Mechanism of Influence of Doping F on Structure and Performance of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2021, 37(6): 1046-1054. doi: 10.11862/CJIC.2021.120
掺F影响LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2结构和性能的微观机制
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关键词:
- 锂离子电池
- / LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2
- / F掺杂
- / 电化学性能
- / 热稳定性
English
Microscopic Mechanism of Influence of Doping F on Structure and Performance of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2
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Key words:
- lithium ion battery
- / LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2
- / F doping
- / electrochemical performance
- / thermal stability
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0. 引言
随着锂离子电池在交通和储能领域上的应用规模越来越大,人们对其能量密度、循环性能和安全性能要求越来越高[1-2]。正极材料作为锂离子电池的重要组成部分,直接影响了电池的寿命、能量密度、成本以及安全性等。目前,已经商业化的正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)和三元材料(LiNixCoyM1-x-yO2,M=Mn、Al,0 < x < 1,0 < y < 1) [2]。其中,富镍三元层状材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2由于能量密度高、工艺简单、成本低、安全性高等优点,被认为是最具有发展前景的正极材料之一[3-4]。然而,在应用过程中该材料仍存在着倍率性差和热稳定性欠佳等问题。
离子掺杂,尤其阴离子掺杂是正极材料改性研究的常用手段之一。在常用的掺杂元素(F[4]、N[5]、S[6]、Cl[7])中,F由于电负性最强,且与O化学性质相似,备受重视。到目前为止,F掺杂已经应用在LiMn2O4[8]、LiFePO4[9]、LiNiO2[4]、LiNi0.5Mn1.5O4[10]、Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2[11]、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2[12]等正极材料改性上,效果显著。
关于F在正极材料中的作用,Zhang等[4]认为F可进入到LiNiO2晶格中,抑制材料在电化学过程中的多相结构转变;Kim等[12]证实F能促进三元层状材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的初次颗粒生长、增强晶体结构稳定性。然而,仍有下述问题不能达成共识:(1) F对富镍层状材料Li+/Ni2+混排度的影响。Zhao等[13]认为F会降低材料阳离子混排,增加材料结构的有序程度,而Li等[14]则表示掺F会增大阳离子混排;(2) F对材料放电容量的影响。研究表明[4, 13]F掺杂能提高材料的放电容量,而文献[10, 14]的报道则相反。此外,与影响富镍三元材料性能密切相关的因素尚不明确,如:F在材料中的存在形式;F对Ni、Co、Mn等过渡金属价态产生的影响;F对Li+扩散的影响等。
据此,以氟化锂为氟源,采用高温固相法对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2进行F掺杂,系统研究了F对材料晶体结构、电化学性能和热稳定影响的微观机制。
1. 实验方法
1.1 材料的制备
将前驱体镍钴锰氢氧化物M(OH)2(M=Ni、Co、Mn;nNi∶nCo∶nMn=8∶1∶1;河南科隆新能源有限公司,理化信息如表 1和图 1所示)、LiOH·H2O(阿拉丁)和LiF(阿拉丁)按照物质的量之比1∶(1.05-x)∶x(x=0.01、0.015、0.02)均匀混合,置于氧气气氛的管式炉中,先300 ℃保温6 h,再升温至780 ℃、保温15 h;最后随炉冷却,得到LiNi0.8Co0.1Mn0.1FxO2-x(简称NCM-x,x=0.01、0.015、0.02),分别记为NCM-0.01、NCM-0.015和NCM-0.02。采用同样方法得到的未掺杂F样品LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2标记为NCM。
表 1
Ni Co Mn Na SO42- Mass fraction/% 50.08 4.26 5.79 0.006 4 0.4 图 1
1.2 材料表征
通过X射线衍射仪(XRD,日本理学Smart-Lab)分析材料的晶体结构,测试条件:Cu Kα辐射(λ =0.154 06 nm),电压40 kV,电流150 mA,测试范围10°~90°,扫描速度10 (°)·min-1,步长0.02°。采用场发射扫描电子显微镜(SEM,德国蔡司Merlin Com-pact,电压15 kV)观察材料微观结构,使用能谱仪(EDS, OXFOFD型)和X射线光电子能谱仪(XPS,赛默飞K-Alpha(plus))分析材料表面元素组成及价态。利用差示扫描量热仪(DSC-Q100)对材料进行热分析,测试条件:气氛为氮气,升温速率为5 (°)·min-1,温度范围为25~400 ℃。
1.3 电化学性能测试
将正极材料、乙炔黑和黏结剂(PVDF)按质量比8∶1∶1均匀混合,滴加适量N-甲基吡咯烷酮(NMP),搅拌得到所需的浆料。把浆料均匀涂在铝箔上,并在100 ℃真空中干燥12 h,制成正极片。在氩气手装箱中,将正极、负极(金属锂)、隔膜(Celgard2325)和电解液(1 mol·L-1 LiPF6的碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯溶液)组装成CR2016型纽扣电池。恒流充放电测试使用深圳新威电池测试设备(CT3008W),充放电截止电压为2.75~4.3 V;循环伏安(CV,扫描范围及速率分别为2.5~4.6 V、0.2 mV·s-1);交流阻抗测试(频率0.05~100 000 Hz) 在武汉科思特电化学工作站(CS350H)上进行。
2. 结果与讨论
2.1 F掺杂对NCM结构的影响
图 2为NCM和NCM-x的XRD图。可以看出,所有材料的衍射峰基本相同,都对应LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的标准卡片(PDF No. 00-56-0147),具有典型的α-NaFeO2型层状结构,空间群R3m。此外,在掺F材料的XRD中未发现新的衍射峰,证明掺F后并未引入新的物相。其中,(006)/(012)和(018)/(110)两对衍射峰分裂明显,而且所有材料的c/a均大于4.9,表明制备的正极材料层状结构较为理想[12-14]。从XRD中提取的结构信息(表 2)可知,掺杂F后,NCM材料的R值(R=I(003)/I(104))明显增大,且均高于未掺杂材料(R值越大,Li+/Ni2+混排程度越小[4]),说明掺F可以降低材料的Li+/Ni2+混排程度,增大材料的有序性,这与Zhao等[13]的报道一致,与Li等[14]的不同。(003)和(104)两个衍射峰局部放大图显示(图 2b),随着F掺杂量的增加,它们逐渐向高角度偏移,表示晶格减小、晶胞收缩,说明掺F可使NCM晶体结构发生变化。
图 2
表 2
Material a/nm c/nm V/nm3 c/a I(003)/I(104) d(Li—O)/nm d(Me—O)/nm Rp Rwp NCM 0.287 6 1.420 9 0.101 8 4.939 1.468 0.210 9 0.197 4 4.04 5.02 NCM-0.01 0.287 5 1.420 2 0.101 7 4.939 1.712 0.211 0 0.197 2 4.06 4.93 NCM-0.015 0.287 4 1.420 0 0.101 6 4.939 1.650 0.210 9 0.197 1 3.99 5.08 NCM-0.02 0.287 2 1.418 9 0.101 4 4.936 1.582 0.210 7 0.197 0 4.08 4.99 为深入分析F对NCM晶体结构影响,对材料的XRD数据进行Rietveld精修,得到的结构参数见表 2,以NCM-0.01为例,精修结果如图 3所示。由表 2可知,随着F掺杂量的增加,Li—O(F)键长先增加后降低,而M—O(F)(M表示过渡金属)键长逐渐减小。这是由于F的电负性远强于O,它与Li、M之间的结合力远大于O与二者的结合力[13],F的引入使得材料晶胞收缩,结构稳定性增加,这将有利于提升材料在电化学过程中的循环性能。而F掺杂量较低时,Li—O(F)键长略微增加是因为F使Li+/Ni2+混排度明显减小,锂层间距变大,有益于电化学过程中Li+的脱嵌与嵌入,提高材料容量和倍率性能[14]。
图 3
图 4为NCM和NCM-x的SEM图。可以看出,F掺杂前后样品均由300 nm左右的一次粒子团聚成的二次颗粒组成,二次颗粒为尺寸12 μm左右的类球形,这说明F的引入未对正极材料的颗粒形貌和尺寸产生明显影响。NCM-0.01的EDS结果显示(图 5),F、Ni、Co、Mn和O元素在材料中分布均匀,表明高温固相法可以实现对NCM良好的F掺杂。
图 4
图 5
通过XPS研究F在NCM材料中存在的形式及其对过渡金属价态的影响,结果显示(图 6):F1s的实测结合能约为685.1 eV,处于LiF、NiF2、NiF3、CoF3和MnF4金属氟化物结合能(648.5~685.9 eV)之间[15-16],这表示F与Li、M之间存在作用力,也进一步证明F引入到材料晶体结构中,且以F-的形式存在。所有材料中Ni2p3/2、Co2p3/2和Mn2p3/2的结合能基本相同,分别为854.6、779.9和642.3 eV,高斯拟合结果显示NCM材料中Ni的化合价态为+2和+3,Co为+3,Mn为+4[17-19],这说明引入F不会改变正极材料中过渡金属的价态。然而,Ni2+/Ni3+所对应的峰面积比随着F掺杂量增加而逐渐增大,由x=0时的0.757增加至x=0.02的1.304,表明F可使部分Ni3+还原成Ni2+。在充电过程中,Ni2+与Ni3+都被氧化成Ni4+,Ni2+数量越多,容量将越高,这一结果意味着掺F将会提高正极材料放电比容量。
图 6
2.2 掺F对NCM电化学性能的影响
NCM和NCM-x在0.2C下首次的充/放电、倍率及循环曲线分别如图 7、图 8和表 3所示。由图 7可知,随着F掺杂量的增加,NCM材料的充/放电平台电压以及放电比容量均先增加后减小,而充/放电平台间的电压差先减小后增大。其中,F掺杂量x=0.01时,材料的放电比容量最大(187.1 mAh·g-1),且充/放电平台间电压差最小(充/放电平台间电压差越小,极化越弱[14]),这一结果证实了XRD与XPS分析中对F提高材料放电容量的预测,也证明了适量掺F有助于减小材料在电化学反应中的极化。显然,这一点与先前报道F会降低富镍三元材料的放电比容量不同[10-11]。
图 7
图 8
表 3
Material Discharge specific capacity/(mAh·g-1) Cycle performance 0.2C 0.5C 1C 2C 4C 0.2C 1C(1st) 1C(50th) Capacity retention NCM 174.0 165.3 153.1 130.8 73.2 162.7 139.6 110.0 78.7% NCM-0.01 187.1 179.3 169.8 139.9 98.5 174.6 150.6 117.2 79.7 NCM-0.015 178.6 172.3 154.3 134.2 86.07 166.3 147.5 126.5 85.7% NCM-0.02 168.4 159.6 143.7 128.1 67.5 157.1 128.2 116.6 90.9% 尽管在电流密度增大的情况下(图 8a),所有材料的放电比容量均有所下降,但是在相同测试倍率下,NCM-0.01和NCM-0.015的放电比容量明显均比NCM的高,这说明适量F掺杂有利于提高正极材料的倍率性能。另外,在1C倍率下经过50周循环(图 8b、表 3),NCM-0.01、NCM-0.015和NCM-0.02的容量保持率较NCM分别提升了1.2%、8.0% 和12.2%,表明F的引入有利于提高正极材料的循环性能。这是因为F掺杂后M—O(F)键长缩短、键能变大(表 2),材料结构稳定性增加,从而增大了过渡金属在电化学反应过程中的迁移壁垒,抑制或减缓了过渡金属的溶解[7, 20]。
图 9为NCM和NCM-x材料的CV曲线,由图可知,其曲线变化规律基本相同:首周曲线与随后的2周差别较大,第2周和第3周曲线重叠较好,这是因为材料经历首次循环后不可逆相变已经完成,之后充放电过程中的Li+脱/嵌或固溶反应可逆。研究中常用首次循环后CV曲线中最低电位氧化还原峰间的电势差(ΔV)来评价材料的极化,ΔV越小,极化越弱[7, 21]。由图可知,NCM的ΔV最大,且F掺杂量越大,该值越小。这一结果表明F掺杂能够减小材料在电化学反应中的极化,提高材料的可逆性和循环性,这与图 8的结果一致。
图 9
图 10a为NCM和NCM-x的交流阻抗曲线(EIS) 及等效电路。材料的EIS曲线均由高频区、中频区的半圆和低频区直线组成。在等效电路图中,Rs为电池体电阻,对应着曲线与坐标轴的截距;Rf为界面阻抗(SEI膜阻抗),Rct为电荷转移阻抗,分别对应着高频区、中频区的半圆;ZW为Warburg阻抗,对应着低频区的直线,反映了Li+在正极材料中的扩散能力[15]。由EIS曲线拟合结果可知(表 4),NCM-0.01和NCM-0.015的Rf和Rct均比NCM的小,这表明适量F掺杂可以改善正极材料阴极动力学行为,降低材料的Rf和Rct。
图 10
表 4
Material Rs/Ω Rf/Ω Rct/Ω DLi+/(cm2·s-1) NCM 2.35 97.09 287.8 7.52×10-13 NCM-0.01 7.27 55.93 184.6 8.36×10-13 NCM-0.015 7.77 35.32 171.4 7.92×10-13 NCM-0.02 7.71 126.6 58.03 6.28×10-13 为了进一步研究F掺杂对锂离子扩散系数DLi+的影响,利用下列公式计算DLi+[15, 22]:
$ D_{\mathrm{Li}^{+}}=\frac{R^{2} T^{2}}{2 A^{2} n^{4} F^{4} c^{2} \sigma^{2}} $ (1) $ Z^{\prime}=R_{\mathrm{s}}+R_{\mathrm{ct}}+\sigma \omega^{-1/2} $ (2) 式中,R是气体常数,T是环境温度,A是接触的有效面积,n是转移电子数,F为法拉第常数,c是Li+的物质的量浓度,σ是Warburg因子,与阻抗Z′和角频率ω-1/2有关(图 10b)。由表 4可知,NCM-0.01和NCM-0.015的DLi+明显高于NCM的。显然,适量F掺杂有利于提高Li+在NCM材料中扩散能力,这因为Li+扩散能力与Li—O(F)键长变化有关(表 2),键长增加时,Li—O(F) 键能变小,Li+在材料中扩散阻力也随之减小。
2.3 F掺杂对NCM热稳定性的影响
图 11为NCM和NCM-x循环50周后处于充电状态的DSC曲线。由图可知,所有材料在200~340 ℃的温度范围内均出现了2个放热峰;其中,位于230 ℃左右的放热峰源于高温下NCM结构变化释放的活性氧(O22-、O2等)与电解液中有机溶剂(碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯) 的反应[23-24]。F掺杂量x=0、0.01、0.015、0.02时,材料的初始放热温度分别为225.94、228.03、229.21和239.98 ℃,说明F掺杂可以提高材料的热稳定性。这主要是由于F的引入使M—O(F)键长减小、键能增加(表 2),从而提高了材料结构稳定性,抑制了高温下材料的结构变化。
图 11
2.4 F掺杂对NCM在循环过程中结构的影响
为了探究F掺杂对NCM循环过程中晶体结构的影响,对循环50周后的NCM和NCM-0.015进行XRD表征(图 12,分析结果见表 5)。由图可知,循环后的材料衍射峰峰形尖锐,且均未出现明显宽化,表明循环后的材料仍保持着完整的层状结构。(003)衍射峰放大图显示(图 12b),经过50周循环后,材料的(003)衍射峰向低角度偏移,这是由于在循环过程中,Li+的损失会增大相邻氧层间的静电斥力[25]。值得注意的是,循环后NCM-0.015的晶格参数a、c和V变化小于NCM,这归因于F提高了材料中氧层与锂层、过渡金属层之间的结合力,抑制了循环过程中的结构变化,从而提高了材料的结构稳定性。
图 12
表 5
Material Condition a/nm Δa/a c/nm Δc/c V/nm3 ΔV/V NCM Original 0.287 6 0.37% 1.420 92 0.18% 0.101 8 0.58% 50th 0.286 5 1.423 61 0.101 2 NCM-0.015 Original 0.287 4 0.35% 1.420 07 0.13% 0.101 6 0.39% 50th 0.286 4 1.421 99 0.101 2 3. 结论
(1) 以LiF为氟源、通过高温固相法可实现对LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的均匀F掺杂。F会部分取代晶格中的O,但不改变材料的微观形貌;在x=0~0.02范围内随着F掺杂量的增加,材料的晶格参数a、c和V逐渐减小,阳离子混排程度先减小后增大。此外,掺F会使得部分Ni3+还原成Ni2+,增大Ni2+在Ni中的占比。
(2) 适量F掺杂可以提高LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料的放电平台电压和放电比容量,降低电极极化,改善材料的倍率性、循环性和热稳定性。
(3) F掺杂能够增大LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料中Li、M与O之间的键能,抑制材料充放电过程中的结构变化,稳定材料的结构,从而提高材料的循环性和热稳定性。
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表 1 前驱体中各物质的质量分数
Table 1. Mass fractions of each substance contained in the precursor
Ni Co Mn Na SO42- Mass fraction/% 50.08 4.26 5.79 0.006 4 0.4 表 2 NCM和NCM-x的详细结构参数
Table 2. Detailed structural parameters for NCM and NCM-x
Material a/nm c/nm V/nm3 c/a I(003)/I(104) d(Li—O)/nm d(Me—O)/nm Rp Rwp NCM 0.287 6 1.420 9 0.101 8 4.939 1.468 0.210 9 0.197 4 4.04 5.02 NCM-0.01 0.287 5 1.420 2 0.101 7 4.939 1.712 0.211 0 0.197 2 4.06 4.93 NCM-0.015 0.287 4 1.420 0 0.101 6 4.939 1.650 0.210 9 0.197 1 3.99 5.08 NCM-0.02 0.287 2 1.418 9 0.101 4 4.936 1.582 0.210 7 0.197 0 4.08 4.99 表 3 NCM和NCM-x的电化学性能
Table 3. Electrochemical performance of NCM and NCM-x
Material Discharge specific capacity/(mAh·g-1) Cycle performance 0.2C 0.5C 1C 2C 4C 0.2C 1C(1st) 1C(50th) Capacity retention NCM 174.0 165.3 153.1 130.8 73.2 162.7 139.6 110.0 78.7% NCM-0.01 187.1 179.3 169.8 139.9 98.5 174.6 150.6 117.2 79.7 NCM-0.015 178.6 172.3 154.3 134.2 86.07 166.3 147.5 126.5 85.7% NCM-0.02 168.4 159.6 143.7 128.1 67.5 157.1 128.2 116.6 90.9% 表 4 NCM和NCM-x的拟合结果及扩散系数
Table 4. Fitting results and diffusion coefficient of NCM and NCM-x
Material Rs/Ω Rf/Ω Rct/Ω DLi+/(cm2·s-1) NCM 2.35 97.09 287.8 7.52×10-13 NCM-0.01 7.27 55.93 184.6 8.36×10-13 NCM-0.015 7.77 35.32 171.4 7.92×10-13 NCM-0.02 7.71 126.6 58.03 6.28×10-13 表 5 NCM和NCM-0.015循环前后的结构参数
Table 5. Structural parameters of NCM and NCM-0.015 before and after the cycle
Material Condition a/nm Δa/a c/nm Δc/c V/nm3 ΔV/V NCM Original 0.287 6 0.37% 1.420 92 0.18% 0.101 8 0.58% 50th 0.286 5 1.423 61 0.101 2 NCM-0.015 Original 0.287 4 0.35% 1.420 07 0.13% 0.101 6 0.39% 50th 0.286 4 1.421 99 0.101 2
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