بررسی اثر زمان سنتز هم‏رسوبی ماده کاتدی LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 و ارزیابی ساختاری و الکتروشیمیایی آن در باتری لیتیوم-یون

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

سحر زیرکی ¹ (دانشجو دکتری رشته مهندسی مواد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران)
بابک هاشمی ² (استاد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران)
کمال جانقربان ³ (استاد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران)
محسن بابایی ⁴ (دکترا، رئیس گروه ذخیرهسازهای انرژی، پژوهشکده مکانیک- پژوهشگاه فضایی ایران)
رحیم اقراء ⁵ (دانشیار، رئیس پژوهشکده مکانیک- پژوهشگاه فضایی ایران)

تاريخ الإرسال : 01 السبت , محرم, 1444 تاريخ التأكيد : 12 السبت , ربيع الأول, 1444 تاريخ الإصدار : 20 الخميس , رمضان, 1443

الکلمات المفتاحية: الکتروشیمیایی, باتری لیتیوم-یون, LiNi0.8Co0.15Al0.05O2, هم‏رسوبی,

ملخص المقالة :

مقدمه: باتری لیتیوم-یون شامل اجزای مختلفی می‏باشد که در این میان کاتد جزء مهم و مؤثری در کارایی آن می‏باشد. تاکنون ترکیبات مختلفی به‏عنوان کاتد در باتری‏های لیتیوم-یون مورد استفاده قرار گرفته‏اند که از میان آن‏ها ترکیب NCA (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) توجه زیادی را به دلیل ظرفیت ویژه بالا و حفظ آن به خود جلب کرده است. البته ظرفیت برگشت‏پذیر کاربردی خیلی کمتر از مقدار تئوری می‏باشد که از عوامل آن در کاهش ظرفیت می‏توان به مهاجرت کاتیون نیکل به لایه لیتیومی (ترکیب کاتیونی) و تخریب ساختار لایه‏ای NCA اشاره کرد. با توجه به این مسئله سنتز مناسب این ساختار می‏تواند به افزایش ظرفیت و طول عمر باتری کمک کند.
روش‌: در این پژوهش پیش ماده Ni0.8Co0.15Al0.05(OH)2 با روش هم‏رسوبی با استفاده از آمونیاک به عنوان کمپلکس ‏دهنده برای کنترل واکنش در شرایط دمایC ˚60 و pH=12 تولید شد و سپس به روش حالت جامد و عملیات حرارتی کلسینه و تف‏جوشی به ترتیب در دمای 550 و ˚C800 تحت اتمسفر اکسیژن ماده کاتدی NCA سنتز گردید. برای مقایسه، سنتز پیش ‏ماده Ni0.8Co0.15(OH)2 و سپس افزودن هیدروکسید آلومینیوم به روش حالت جامد نیز انجام شد. اثر نحوه سنتز و زمان سنتز بر نتایج الکتروشیمیایی مورد بررسی قرار گرفت
یافته‌ها: در نمونه با مدت زمان سنتز هم‏رسوبی 4 روز و سپس دو مرحله تف‏جوشی، پیک‏های آندی و کاتدی در نمودار ولتامتری سیکلی به ‏خوبی تشکیل شدند. ظرفیت و برگشت‏ پذیری ظرفیت بهتر و همچنین مقاومت کمتر و ضریب نفوذ لیتیوم بیشتری به دست آمد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان دادند که استفاده از آمونیاک به‏ عنوان عامل کمپلکس در سنتز هم‏رسوبی برای یون آلومینیوم مناسب است. همچنین افزایش زمان سنتز هم‏رسوبی به کامل شدن ساختار لایه‏ ای و در نتیجه افزایش ظرفیت کمک می‏کند. انجام دو مرحله عملیات حرارتی تف‏جوشی نیز در کاهش ترکیب کاتیونی و افزایش ظرفیت اثرگذار است.

المصادر:

[1]          Q. Sa, “Synthesis and impurity study of high performance LiNixMnyCozO2 cathode materials from lithium ion battery recovery stream,” Worcester Polytechnic Institute, Massachusetts, 2015.

[2]          D. Li, “Aging mechanisms of Li-ion batteries : seen from an experimental and simulation point of view,” Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 2017.

[3]          M. Lengyel, “Optimization of layered battery cathode materials synthesized via spray pyrolysis,” Washington University in St. Louis, 2014.

[4]          I. Hadjipaschalis, A. Poullikkas, and V. Efthimiou, “Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 13, pp. 1513–1522, 2009, doi: 10.1016/j.rser.2008.09.028.

[5]          W. A. van Schalkwijk and B. Scrosati, Advances in lithium-ion batteries. New York: Kluwer Academic Publishers, 2002.

[6]          M. Yoshio, R. J. Brodd, and A. Kozawa, Lithium-ion batteries: science and technologies. New York: Springer Science & Business Media, 2010.

[7]          M. Nurullah, “High energy density cathode active materials for lithium-ion batteries,” Northeastern University, 2015.

[8]          C. Liu, Z. G. Neale, and G. Cao, “Understanding electrochemical potentials of cathode materials in rechargeable batteries,” Mater. Today, vol. 19, no. 2, pp. 109–123, 2016, doi: 10.1016/j.mattod.2015.10.009.

[9]          J. D. Steiner, F. Lin, and A. Morris, “Understanding and controlling the degradation of nickel-rich lithium-ion layered cathodes,” Virginia Polytechnic Institute and State University, 2018.

[10]       T. Q. Duong, “Progress report for energy storage research and development,” Washington, D.C., 2003.

[11]       E. Flores, P. Novák, and E. J. Berg, “In situ and operando raman spectroscopy of layered transition metal oxides for Li-ion battery cathodes,” Front. Energy Res., vol. 6, 2018, doi: 10.3389/fenrg.2018.00082.

[12]       C. M. Julien, A. Mauger, K. Zaghib, and H. Groult, “Comparative issues of cathode materials for Li-ion batteries,” Inorganics, vol. 2, pp. 132–154, 2014, doi: 10.3390/inorganics2020132.

[13]       N. Nitta, F. Wu, J. T. Lee, and G. Yushin, “Li-ion battery materials : present and future,” Mater. Today, vol. 18, no. 5, pp. 252–264, 2015, doi: 10.1016/j.mattod.2014.10.040.

[14]       H. Koga, “Study of Li-rich lamellar oxides as positive electrode materials for lithium-ion batteries,” University of Bordeaux, 2014.

[15]       A. Yerramilli, “Synthesis and characterization of lithium-ion cathode materials in the system (1-x-y) LiNi0.8Co0.15Al0.05O2.xLi2MnO3.yLiCoO2,” Colorado State University, 2013.

[16]       J. Xu, S. Dou, H. Liu, and L. Dai, “Cathode materials for next generation lithium ion batteries,” Nano Energy, vol. 2, no. 4, pp. 439–442, 2013, doi: 10.1016/j.nanoen.2013.05.013.

[17]       A. Rougier, I. Saadoune, P. Gravereau, F. Willmannb, and C. Delmas, “Effect of cobalt substitution on cationic distribution in LiNi1-yCoyO2 electrode materials,” Solid State Ionics, vol. 90, pp. 83–90, 1996, .https://www.semanticscholar.org/paper/Effect-of-cobalt-substitution-on-cationic-in-LiNi1-Rougier-Saadoune/3b125b7a58cab5716c2e11134f274e00de4aa7eb

[18]       T. Ohzuku, A. Ueda, and M. Kouguchi, “Synthesis and characterization of LiAI1/4Ni3/4O2 (R3m) for lithium-ion (shuttlecock) batteries,” J. Electrochem. Soc., vol. 142, no. 12, pp. 4033–4039, 1995.

[19]       A. Abdellahi, A. Urban, S. Dacek, and G. Ceder, “The effect of cation disorder on the average Li intercalation voltage of transition-metal oxides,” Chem. Mater., vol. 28, p. 3659−3665, 2016, doi: 10.1021/acs.chemmater.6b00205.

[20]       D. Qian, B. Xu, and K. Carroll, “Performance improvement of lithium lanthanum titanate (LLT) coated LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 A combination of first-principles calculations and experimental studies,” Electrochem. Soc., no. 12, pp. 627–627, 2011.

[21] J. S. Weaving et al., “Development of high energy density Li-ion batteries based on,” J. Power Sources, vol. 98, pp. 733–735, 2001, doi: https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00700-5. https://arxiv.org/pdf/1804.08451

[22]       N. M. Trease et al., “Identifying the distribution of Al in LiNiCoAlO,” Chem. Mater, vol. 28, no. 22, pp. 8170–8180, 2016, doi: 10.1021/acs.chemmater.6b02797.

[23]       J. S. Weaving et al., “Development of high energy density Li-ion batteries based on,” J. Power Sources, vol. 98, pp. 733–735, 2001, doi: https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00700-5.

[24]       W. Min, G. Rong, Z. Dong, K. Du, Y. Bing, and Q. Liu, “Synthesis of spherical LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathode materials for lithium-ion batteries by a co-oxidation-controlled crystallization method,” Chinese Chem. Lett., vol. 22, pp. 1099–1102, 2011, doi: 10.1016/j.cclet.2011.01.041.

[25]       M. W.-M. S. Albrecht, J.Ku¨mpersb, M. Krufta, S. Malcusa, C. Voglerc, M. Wahlb and AH.C., “Electrochemical and thermal behavior of aluminum- and magnesium-doped spherical lithium nickel cobalt mixed oxides Li1_x(Ni1_y_zCoyMz)O2 (M = Al, Mg),” J. Power Sources, vol. 121, pp. 178–183, 2003, doi: 10.1016/S0378-7753(03)00175-7.

 [26]      S. Madhavi, G. V. S. Rao, B. V. R. Chowdari, and S. F. Y. Li, “Effect of aluminium doping on cathodic behaviour of LiNi0.7Co0.3O2,” J. Power Sources, vol. 93, pp. 156–162, 2001, doi: https://doi.org/10.1016/S0378-7753(00)00559-0.

[27]       Y. Chen et al., “Influence of integrated microstructure on the performance of LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 as a cathodic material for lithium ion batteries,” RSC Adv., vol. 3, pp. 29233–29239, 2017, doi: 10.1039/C7RA04206J.

[28]       Z. Qiu, Y. Zhang, P. Dong, S. Xia, and Y. Yao, “A facile method for synthesis of LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathode material,” Solid State Ionics, vol. 307, pp. 73–78, 2017, doi: 10.1016/j.ssi.2017.04.011.

[29]       M. T. Tung and V. D. Luong, “Electrochemical properties of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 synthesized by sol-gel and co-precipitation methods,” Vietnam J. Chem., vol. 54, no. 6, pp. 724–729, 2016, doi: 10.15625/0866-7144.2016-00394.

[30]       M. Lee, Y. Kang, S. Myung, and Y. Sun, “Synthetic optimization of Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 via co-precipitation,” Electrochim. Acta, vol. 50, pp. 939–948, 2004, doi: 10.1016/j.electacta.2004.07.038.

[31]       A. Purwanto, C. S. Yudha, U. Ubaidillah, H. Widiyandari, and T. Ogi, “NCA cathode material : synthesis methods and performance enhancement efforts,” Mater. Res. Express, vol. 5, no. 12, pp. 122001–122023, 2018, doi: 10.1088/2053-1591/aae167.

[32] Y. Kim and D. Kim, “Synthesis of high-density nickel cobalt aluminum hydroxide by continuous coprecipitation method,” Appl. Mater. Interfaces, vol. 4, p. 586−589, 2012, doi:https://doi.org/10.1021/am201585z. https://www.semanticscholar.org/paper/Synthesis-of-high-density-nickel-cobalt-aluminum-by-Kim-Kim/3a83040c477017bc965c77f8cbff950004c789b7

[33]       H. Z. Zhang, C. Liu, D. W. Song, L. Q. Zhang, L. J. Bie, and To, “A new synthesis strategy towards enhancing the structure and cycle stabilities of LiNi0.80Co0.15Al0.05O2 cathode material,” J. Mater. Chem. A, vol. 5, no. 2, pp. 835–841, 2017, doi: 10.1039/C6TA08084G.

[34]       K.-M. Nam, H.-J. Kim, D.-H. Kang, Y.-S. Kim, and S.-W. Song, “Ammonia-free coprecipitation synthesis of Ni-Co-Mn hydroxides precursor for high-performance battery cathode materials,” Green Chem., vol. 17, no. 2, pp. 1127–1135, 2015, doi: 10.1039/C4GC01898B.

[35] A. Van Bommel and J. R. Dahn, “Analysis of the growth mechanism of coprecipitated spherical and dense nickel, manganese, and cobalt-containing hydroxides in the presence of aqueous ammonia,” Chem. Mater., vol. 21, no. 8, pp. 1500–1503, 2009, doi: https://doi.org/10.1021/cm803144d.https://www.semanticscholar.org/paper/Analysis-of-the-Growth-Mechanism-of-Coprecipitated-Bommel-Dahn/df00753bab912b2bf0bd39b04f66b386af50d181

[36]       H. Xie et al., “Synthesis of LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 with 5-sulfosalicylic acid as a chelating agent and its electrochemical properties,” J. Mater. Chem. A, vol. 3, no. 2015, pp. 20236–20243, 2015, doi: 10.1039/C5TA05266A.

[37]       J. A. Dean, Lange’s handbook of chemistry, Fifteenth. New York: McGRAW-HILL, 1999.

[38]       A. D. Fortes, J. P. Brodholt, I. G. Wood, L. Vočadlo, and H. D. B. Jenkins, “Ab initio simulation of ammonia monohydrate (NH3·H2O) and ammonium hydroxide (NH4OH),” J. Chem. Phys., vol. 115, no. 15, pp. 7006–7014, 2001, doi: 10.1063/1.1398104.

[39] V. Bianchi et al., “Electrochemical investigation of the Li insertion – extraction reaction as a function of lithium deficiency in Li1−xNi1+xO2,” Electrochim. Acta, vol. 46, pp. 999–1011, 2001, doi: https://doi.org/10.1016/S0013-4686(00)00681-2.

[40]       S. Sivaprakash, S. B. Majumder, S. Nieto, and R. S. Katiyar, “Crystal chemistry modification of lithium nickel cobalt oxide cathodes for lithium ion rechargeable batteries,” J. Power Sources, vol. 170, pp. 433–440, 2007, doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.04.029.

[41]       M. M. Loghavi, H. Mohammadi-Manesh, and R. Eqra, “Y2O3-decorated LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathode material with improved electrochemical performance for lithium-ion batteries,” J. Electroanal. Chem., vol. 848, p. 113326, 2019, doi: doi: 10.1016/j.jelechem.2019.113326.

[42]       M. A. Omodifard, B. Hashemi, and M. Babaiee, “Effect of neodymium and yttrium oxides on the structural and electrochemical properties of LiFePO4/C composite as cathode of lithium ion batteries synthesized by solid state method,” J. New Mater., vol. 11, no. 42, pp. 107–122, 2021.

[43]       D. Y. Wan et al., “Effect of Metal (Mn ,Ti) Doping on NCA cathode materials for lithium ion batteries,” J. Nanomater., 2018, doi: 10.1155/2018/8082502.

[44]       M. M. Loghavi, R. Eqra, and H. Mohammadi-manesh, “Preparation and characteristics of graphene/Y2O3/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 composite for the cathode of lithium-ion battery,” J. Electroanal. Chem., vol. 862, p. 113971, 2020, doi: 10.1016/j.jelechem.2020.113971.

[45]       C. Xu et al., “A comparative study of crystalline and amorphous Li0.5La0.5TiO3 as surface coating layers to enhance the electrochemical performance of LiNi0.815Co0.15Al0.035O2 cathode,” J. Alloy. Compd., no. 2018, pp. 428–435, 2018, doi: 10.1016/j.jallcom.2017.12.193.

[46]       C. S. Yudha, S. U. Muzayanha, H. Widiyandari, F. Iskandar, W. Sutopo, and A. Purwanto, “Synthesis of LiNi0.85Co0.14Al0.01O2 cathode material and its performance in an NCA/graphite full-battery,” Energies, vol. 12, p. 1886, 2019, doi: doi:10.3390/en12101886.

[47]       K. He, Z. Ruan, X. Teng, and Y. Zhu, “Facile synthesis and electrochemical properties of spherical LiNi0.85-xCo0.15AlxO2 with sodium aluminate via co-precipitation,” Mater. Res. Bull., vol. 90, pp. 131–137, 2017, doi: 10.1016/j.materresbull.2017.01.039.