CTAB辅助水热合成高镍三元材料LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2及其高低温性能研究

doi:10.7503/cjcu20200507

摘要/Abstract

摘要：

以醋酸盐为原料, 以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为分散剂, 通过水热合成-高温烧结的方法制备高镍三元正极材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂. 结果表明, 适量分散剂CTAB的加入可有效调节材料的颗粒形貌尺寸, 降低锂镍混排, 改善材料的电化学性能. 加入2%(质量分数) CTAB时, 制备的电池材料具有完整有序的层状结构, 且颗粒均匀分散, 具有最佳的循环性能和高低温性能. 该材料在室温及倍率1C下循环100次后, 容量保持率为88.5%. 在?20, 25和55 ℃条件下及倍率0.1C充放电时, 首次放电比容量分别为60.3, 168.5和207.2 mA·h/g.

关键词: 高镍正极材料, 水热合成, 分散剂, 高低温性能

Abstract:

Using acetate as raw material， cetyltrimethyl ammonium bromide（CTAB） as dispersing agent， LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ cathode material was synthesized by hydrothermal method after high temperature two-step sintering. The experiments proved that proper addition of the dispersant CTAB can effectively adjust the particle morphology， reduce Ni²⁺/Li⁺ cation mixing and improve the electrochemical properties of the material. When 2%（mass fraction） CTAB was added， the LNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ cathode material had an ordered layered structure and the particles of the material were homogeneous and dispersed. Furthermore， and the optimal cycling performance and the high-low temperature performance were obtained. The retention rate of the material was 88.5 % after 100 cycles in the voltage range of 3.0—4.3 V at a rate of 1C and 25 ℃. The initial discharge specific capacity were 60.3， 168.5 and 207.2 mA·h/g， respectively， at a rate of 0.1C under the environmental conditions of ?20， 25 and 55 ℃， which provided a strong basis for the wider application of the material.

Key words: Ni-rich cathode material, Hydrothermal synthesis, Dispersing agent, High-low temperature performance

中图分类号:

O646

张会双, 高延晓, 王秋娴, 李向南, 刘文凤, 杨书廷. CTAB辅助水热合成高镍三元材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂及其高低温性能研究[J]. 高等学校化学学报, doi: 10.7503/cjcu20200507.

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图/表 10

Fig. 1 TG?DSC curves of the precursor of 0 CTAB mixed with LiNO3

Fig.2 FSEM images of precursors of 0 CTAB(A), 1% CTAB(B), 2% CTAB(C) and 3% CTAB(D) and the sintered products of 0 CTAB(E), 1% CTAB(F), 2% CTAB(G) and 3% CTAB(H)

Fig.3 XRD patterns of precursors of 0 CTAB, 1% CTAB, 2% CTAB and 3% CTAB

Fig.4 XRD patterns of the four sintered products(A), rietveld refinement of 0 CTAB(B) and 2% CTAB(C)

Table 1 Rietveld refinement results of XRD data for the samples

Sample	a/nm	c/nm	R_wp(%)	R_p(%)	Cation mixing(%)	c/a	I₀₀₃/I₁₀₄
0 CTAB	0.28696	1.42094	3.56610	2.69623	4.7637	4.9517	1.12
1% CTAB	0.28736	1.42337	3.32930	2.63632	3.1269	4.9532	1.53
2% CTAB	0.28704	1.42314	3.26002	2.58101	2.4642	4.9580	2.01
3% CTAB	0.28756	1.42204	3.02911	2.38314	5.6055	4.9451	1.11

Table 2 EDS quantitative analysis data for the samples

Sample	Atom fraction(%)			n(Ni)/n(Co)/n(Mn)
Sample	Ni	Co	Mn	n(Ni)/n(Co)/n(Mn)
0 CTAB	23.14	8.09	6.85	2.86∶1∶0.85
2% CTAB	26.21	9.04	8.12	2.90∶1∶0.90

Fig.5 XPS spectra of 2% CTAB(A) Full spectrum; (B) Li1s; (C) O1s; (D) Ni2p; (E) Co2p; (F) Mn2p.

Fig.6 Initial charge?discharge curves(A), cycling performances curves(B), cyclic voltammetry curves(C) and rate capability(D) of the four sintered products at 25 ℃

Fig.7 Cycling performance at different temperatures and at a rate of 0.1C(A, D), rate capability at 55 ℃(B) and -20℃(E), cyclic voltammetry curves at 55 ℃(C) and -20 ℃(F) of the four sintered products, the corresponding EIS spectra of the cell for 0 CTAB and 2% CTAB from (A) and (D) after 10 cycles at 55 ℃(G), 25 ℃(H) and -20℃(I)Insets of (G—I) are equivalent circuit diagrams.

Table 3 Impedance values correspond to different frequency bands of impedance spectrum fitted with different cycles of electrodes at 3.0 V

Sample	Temperature/^oC	R_s/Ω	R_p/Ω	R₁/Ω	R₂/Ω	W_o/Ω
0 CTAB	55	1.758	14.38	151.9	—	273.1
2% CTAB	55	2.096	11.91	119.2	—	141.8
0 CTAB	25	0.68	—	129.1	—	76
2% CTAB	25	1.97	—	76.73	—	51.66
0 CTAB	-20	8.397	323.8	2618	6219	—
2% CTAB	-20	9.158	128.93	667	4536	—

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CTAB辅助水热合成高镍三元材料LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂及其高低温性能研究

High-Low Temperature Properties of Ni-rich LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ Cathode Material by Hydrothermal Synthesis with CTAB Assisted

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