镁离子掺杂磷酸铁锂的制备及其电化学性能木
2023-08-19
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第48卷第1期 2016年1月 无机盐工业 INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY Vo1.48 No.1 Jan.2016 镁离子掺杂磷酸铁锂的制备及其电化学性能木 谷和云,李弄。李二锐,王凯,徐江生 (合肥工业大学化学与化工学院,安徽合肥230009) 摘要:通过简单水热反应制备磷酸铁锂前驱体,并结合后期热处理过程制备了镁离子掺杂碳包覆的磷酸铁锂 正极材料 利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等表征了镁离子掺杂磷酸铁锂的成分、形貌 和结构 元素分布结果证明镁离子均匀掺杂在磷酸铁锂材料中。通过恒流充放电和循环伏安、交流阻抗等方法对材 料的电化学性能进行测试。结果表明,镁离子掺杂后的磷酸铁锂材料具有较高的放电比容量(0.1C放电比容量为 160.1 mA.h/g)和优越的倍率性能(20C放电比容量为77.2mA.h/g),同时减小了极化和电荷迁移电阻。这条合成路 线是提高水热法制备磷酸铁锂正极材料电化学性能的有效方法 关键词:水热反应;磷酸铁锂;镁离子掺杂;电化学性能 中图分类号:TQI32.2 文献标识码:A 文章编号:1006—4990(2016)ol—oo64—04 Synthesis and electrochemical performance of magnesium ion doped lithium iron phosphate Gu Heyun,Li Sheng,Li Errui,Wang Kai,Xu Jiangsheng (School ofChemistry andChemicalEngineering,HeyeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China) Abstract:A hydrothermal reaction has been adopted to synthesize LiFePO4 precursor irstfly.Then it was modiied fwith carbon coating and magnesium ion(Mg2 )doping through a post—heat treatment.The chemical composition,morphology,and structure ofthe material were characterized by X—ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM),and transmission elec— tron microscopy(TEM).Energy dispersive spectroscopy mappings have verified the homogeneous existence of doped Mg in LiFePO4 particles.The electrochemical performances of the as—prepared material were studied by galvanostatic charging/dis— charging measurements,cyclic voltammetry(CV),and electrochemical impedance spectroscopy(EIS).The test results showed that Mg doped lithium iron phosphate exhibited high special capacity(160.1 mA·h/g at 0.1C),superior rate capability (77.2 mA·h/g at 20C),and could reduce the polarization and decrease charge transfer resistance.his syntThesis route is promising in making the hydrothermal method more practical for preparation of the LiFePO4 material and enhancement of electrochemical performance. Key words:hydrothermal reaction;LiFePO4;Mg adoping;electrochemical performance 自从1997年橄榄石晶型的磷酸盐首次被报道 可以作为锂二次电池正极材料以来….LiFePO 由于 中添加目标金属离子被广泛应用于制备阳离子掺杂 的LiFePO 正极材料.但固相反应中由于原料在微 其价格低廉、环境友好、无毒、循环性能好、理论容量 高(170 mA.h/g)和充放电平台(3.45 V VS.Li+/Li)稳 米尺寸上的不均匀混合.晶体的成核和生长的速率 不一致.导致很难制备掺杂相对均匀的LiFePO 正 极材料 Ou Xiuqin等E6]在水热反应中加入镁离子制 定等优点而被广泛研究。然而LiFePO 因其自身的 结构特点,在lJi+脱出/嵌入形成LiFePOdFePO 两相 结构时具有较低的电子电导率(<10-9 S/cm)和较慢 的锂离子扩散速率(10一 ~10 cm2/s),极大地限制了 备掺杂镁离子的LiFePO 前驱体,然后经过煅烧制 备了Li。。 Mgo0zFePOJC,而结果表明镁离子的掺杂对 于放电比容量和电子电导率的提高影响较小.这可 其在动力电池中的大规模应用[2-3]。许多研究者分别 能是由于掺杂的金属离子盐在水热合成阶段与合成 磷酸铁锂的基本原料同时加人.使其与合成磷酸铁 锂的基本原料不可避免发生相互干扰 因此.通过一 步水热制备金属离子掺杂材料的方法也不太适合制 采用不同的方法制备出掺杂金属离子的磷酸铁锂复 合材料.如高温固相法 ].水热法 等。在反应原料 基金项目:国家自然科学基金项目(21176054)。 2016年1月 谷和云等:镁离子掺杂磷酸铁锂的制备及其电化学性能 65 备性能优良的LiFePO 正极材料。笔者采用水热反 应制备粒径均匀的LiFeP0 .将其与一定比例的 Mg(CH coo)2·4H2O和葡萄糖一起球磨混合,再经 高温煅烧制备了Mg 杂和碳包覆改性的磷酸铁锂 正极材料.与未经金属离子掺杂的磷酸铁锂正极材 料的性能进行对比.结果显示,镁离子掺杂的磷酸铁 锂正极材料电化学性能有显著的提高 1 实验部分 1.1材料的制备 在不断搅拌下.按物质的量比为3:1.将85%的 浓磷酸缓慢滴加到盛有4 mol/L Li0H溶液的烧杯 中。得到白色悬浊液 将白色悬浊液转移至1 L高压 反应釜中.然后在强烈搅拌下.迅速加入含抗坏血酸 的FeSO 溶液,待FeSO 溶液加入完毕后,迅速密封 反应釜,升温至200 oC反应24 h.待自然冷却后,洗 涤所得粉末样品.并于6O℃下干燥12 h.得前驱体。 称取50 g磷酸铁锂前驱体、2.5 g葡萄糖和1.36 g Mg(CH CO0):·4H20于球磨罐中,采用无水乙醇作 为球磨介质,球磨5 h。经研磨后.将此混合物在氮 气气氛中在350 oC焙烧4 h.并进一步升温至650℃ 煅烧9 h得到碳包覆、2%Mgz+掺杂的磷酸铁锂正极 材料,样品标记为LiFePOdC—Mg。 为突出金属离子掺杂对于材料电化学性能的影 响,另取磷酸铁锂前驱体50 g和2.5 g葡萄糖,按上 述相同的工艺过程制备碳包覆的磷酸铁锂正极材 料.样品标记为LiFePO4/C 1.2正极片的制作与电池组装 将制备的LiFePO 正极材料分别与导电剂乙炔 黑、粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)按照质量比为85:10: 5混合.用NMP(1~甲基一2一吡咯烷酮)将此混合物 调制成浆料.均匀地涂附在铝箔集流体上.在100℃ 真空干燥12 h.制得实验电池用正极片 以金属锂 片为负极.电解液为1 mol/L LiPF6的EC(乙基碳酸 酯)+DMC(二甲基碳酸酯)(体积比为1:1)溶液,隔 膜为celgard 2400膜.在氩气气氛的手套箱内装配 成CR2032型扣式电池 1_3样品表征与电池性能测试 采用D/max—rB(A=0.154 178 nm)型X射线衍 射仪(XRD)测试样品的成分及物相。Cu 辐射,扫 描速度为4 o)/min.20=10~70 ̄;采用JSM一6700F型 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、H一800型透射电 子显微镜(TEM,加速电压为200 kV)测试样品的形 貌和微观结构:采用BTS一5 V/10 mA型充放电测试 仪测试电池的恒流充放电曲线、倍率性能,电压窗口 为2.0~4.2 V,测试温度为室温(25 oC);采用CHI 660D型电化学工作站测试电池的循环伏安曲线和 交流阻抗,电池充放电倍率定义为1C=150 mA/g。 2结果与讨论 2.1 XRD测试 所制备材料的XRD谱图见图1 从图1可以看 出.无论是镁离子掺杂碳包覆还是单纯碳包覆的磷 酸铁锂材料.焙烧后得到的样品均具有尖锐衍射峰. 同时峰的位置和强度与JCPDS(NO 83—2092)标准 谱图一致。特征峰明显.说明材料的结晶程度较好, 没有发现任何杂质 骠 1O 2O 30 40 5O 60 70 2 。1 a--LiFePOdC;b--LiFePOdC-Mg 图1所制备材料的XRD谱图 两种样品的晶胞参数计算结果见表1 从表1 可以看出,掺杂镁离子的LiFePO 材料晶胞参数0,b 及晶胞体积会减小,而晶胞参数C略微增大。根据经 典缺陷化学理论,可以解释为:由于M (0.072nm)比 Li (0.076 nm)和Fe (0.078 nm)的离子半径要小,致 使Mgz 优先取代与之半径接近的锂离子(M1)位置 而形成固溶体,在形成固溶体的前提条件下.掺杂使 得晶胞体积减小_7] 表1 LiFePOdC和LiFePOdC—Mg的晶胞参数 样品 nm 6/nm c/nm ,nm3 LiFePOdC 1.034 83 0.599 51 0.469 40 0.291 21 LiFePOdC-Mg 1.033 84 0.599 43 0.469 54 0.290 98 图2a和2b是镁离子掺杂LiFePO 材料的 FESEM照片和TEM照片,从照片可以看出,材料具 有微米尺寸的片状结构。图2c为TEM照片对应的 镁元素分布图,从图中可以看出,镁元素分布的轮廓 与图2b中颗粒的轮廓一致,元素均匀分布,说明材 2016年1月 谷和云等:镁离子掺杂磷酸铁锂的制备及其电化学性能 67 J0urnal of the Electrochemical Society,1997,144(4):1 188-1 194. [2]Wang Yonggang,He Ping,Zhou Haoshen.Olivine LiFePO4:develo- pment andfuture[J].Energy&Environmentla Science,2011,4(3): 805-8 17. [3]冯国彪,邓宏.锂离子电池正极材料磷酸铁锂研究进展[J].无机 盐工业,2011,43(3):l4—17. [4]Heo JB,LeeY S,Cho SH,et a1.Synthesis and electrochemical ch— araeterizations of dual doped Lil e 7CU㈣3PO4[J].Materilas Let- ters,2009,63(6):581-583. [5]倪聪,莫祥银,康彩荣,等.LiMga-Fe0 ̄PO,/C的合成与电化学性 能研究[J].无机盐工业,2010,42(12):29—31. z [6]OuXiuqin,LiangGuangchuan,WangLi,et a1.Effects ofmagnesium doping on electronic conductivity and electrochemical properties of 图6 LiFePOJC—Mg和HFePOJC的交流阻抗图 LiFePO4 prepared via hydrothermal route[J 3.Journal of Power So— 3 结论 urces,2008,184:543-547. [7]Meethong N,Kao Y H,Speakman S A,et a1.Aliovalent substitutions 通过低能耗水热反应辅以后期煅烧处理成功制 in olivine lithium iron phosphate and impact on structure and pro- 备了镁离子掺杂碳包覆的LiFePO 正极材料,并研 perties[J].Advanced Functional Materilas,2009,19(7):1060— 1070. 究了材料的电化学性能。恒流充放电结果显示。镁离 [8]Shin H C,Cho W I,Jang H.Electrochemical properties of the cal"一 子掺杂的材料具有高的放电比容量、优异的倍率性 bon-·coated LiFePO4 as a cathode material ofr lithium·-ion secondary 能 镁离子掺杂的材料在20C倍率下放电比容量高 batteries[J].Journal ofPowerSources,2006,159(2):1383-1388. 达77.2 mA·h/g 循环伏安特性和交流阻抗结果显 [9]Zhu Yanrong,Xie Ying,Zhu Rongsun,et a1.Kinetic study on 示.相比于未经镁离子掺杂的材料.镁离子掺杂后的 LiFePO4-positive electorde material of lithium—ion battery[J].Io- nics,2011,17(5):437—441. LiFePO 材料表现出较小的极化和电荷迁移电阻, [10]Yang M R,Ke W H.The doping effect on the electrochemical pro— 以及优越的倍率性能。因此,采用水热法制备 perties of LiFen 95Mn 05P04(M=Mg2 ,Ni2+,A1¨,or V )as cathode LiFePO 前驱体,结合后续煅烧处理进行镁离子掺 materials for lithium—ion cells[J].Journal of the Electrochemical 杂和碳包覆改性可以获得具有优良电化学性能的 Society,2008,155(10):A729-A732. LiFePO 正极材料,为制备LiFePO 正极材料提供了 [11]周勇华,方莹,李镇,等.铁位掺杂对磷酸铁锂电化学性能的影 响[J].无机盐工业,2014,46(3):75—78. 一条新的途径 参考文献: 收稿日期:2015—07—16 作者简介:谷和云(1990一),男,硕士研究生,主要从事锂离子电池 [1]Padhi A K,Nanjundaswamy K S,Goodenough J B.Phospho·olivines 材料的研究。 as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries[J]. 联系方式:guheyun2010@163.corn 一一种以氧化镁为主材料的二氧化碳吸收剂及制备方法 种高镁锂}匕盐湖卤水制备氢氧化镁的方法 本发明涉及一种以氧化镁为主材料的二氧化碳吸收剂 本发明涉及无机盐化工领域.公开了一种高镁锂比盐湖 及制备方法.属于用于密闭空间环境的二氧化碳清除领域。 卤水制备氢氧化镁的方法 本发明将高镁锂比盐湖卤水浓缩 以所述吸收剂配方总质量为100%计:氧化镁:80% 85%,单 蒸发,析出氯化钠、氯化钾;浓缩卤水加入过量10%~20%的 水氢氧化锂:12% 17%.质量分数为5% 10%的氢氧化钠水 碳酸盐或者碳酸氢盐除钙离子:除杂后浓卤中加入镁沉淀 溶液:3% 5%;氧化镁为将碱式碳酸镁在320~400℃下焙烧 剂,通过控制pH使镁离子完全沉淀,洗涤干燥得到固体氢氧 1~3 h后得到;所述吸收剂密度为1.5~1.9咖m3,粒径为2 化镁粉末。本发明制备氢氧化镁时先加入弱碱氨水,易于形 6 mm。通过将氧化镁、单水氢氧化锂和氢氧化钠溶液混合均 成固定形貌的氢氧化镁晶体.再同步加人卤水和强碱氢氧化 匀后压制为药板.再破碎为颗粒.最后烘干得到所述吸收剂。 钠能够快速得到氢氧化镁晶体:采用两步沉淀法制备氢氧化 所述吸收剂吸收前后颗粒大小不变.在吸收过程中床层阻力 镁,便于快速抽滤洗涤。 不变.产生水汽较少,吸收性能良好稳定。生产成本较小:所 CN,105060320 述方法简单。所需设备少。 CN,105032164