High energy density xLi2MnO3-(1−x)LiMn0.5Ni0.5O2 cathode system for lithium-ion rechargeable batteries

Abstract

In this work xLi2MnO3-(1-x)LiNi0.5Mn0.5O2 (x = 0.3 and 0.5) layered cathode materials were synthesized by the co-precipitation route. The synthesized powders were annealed at 950 °C for 12 h in air to get the desired structure. The synthesized materials were structurally characterized using X-Ray Diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy; they show the formation of structures with two phases corresponding to both space group R3m rhombohedral LiMO2 structure and space group C2/m monoclinic Li2MnO3 structure. Morphological studies with Scanning Electron Microscopy (SEM) show highly dense particle agglomerations, the particle size is 0.5 to 2 μm, and agglomerations around 10-20 μm. X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) confirms the presence of the Mn in the 4+, Ni in the 2+ and O in the 2- oxidation states. To study the electrochemical behaviour, coin cells were fabricated inside an Argon filled glove-box using a cathode, prepared from the synthesized material, LiPF6 dissolved in Ethylene Carbonate (EC) and Dimethyl Carbonate (DMC) in 1:1 wt ratio as electrolyte and Li foil as anode. Coin cells were electrochemically characterized using Charge-Discharge profiles, Differential Capacity and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Results show the highest capacity for the composite cathode with x = 0.5. Performance at high temperature and MgO coating were also studied, showing an improvement in the electrochemical behaviour.

En el presente trabajo se sintetizó el material catódico xLi2MnO3-(1-x)LiNi0.5Mn0.5O2 (x = 0.3 y 0.5) mediante la técnica de coprecipitación. El material sintetizado fue tratado térmicamente a 950 °C por 12 h al aire para obtener la estructura cristalina deseada. Los materiales sintetizados fueron estructuralmente caracterizados usando Difracción de Rayos- X (XRD) y Espectroscopía Raman; ellos muestran la formación de las estructuras con dos fases correspondientes al grupo espacial rombohédrico R ̄3m LiMO2 y al grupo espacial monoclínico C2/m Li2MnO3. Un análisis morfológico se llevó acabo mediante la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), los resultados muestran aglomeraciones muy densas de partículas, el tamaño de las partículas oscilan entre 0.5-2 μm, y aglomeraciones entre 10-20 μm. Espectroscopía Electrónica de Rayos-X (XPS) confirma la presencia de los estados de oxidación de 4+, 2+ y 2- para el Mn, Ni y O respectivamente. Para estudiar el comportamiento electroquímico, se fabricaron pilas de bot ́on dentro de la atmósfera inerte de un “glove-box”; se usaron cátodos a partir del material sintetizado, LiPF6 disuelto en Carbonato de Etileno (EC) y Carbonato de Dimetilo (DMC) en un radio wt de 1:1 como electrolito y Li metálico como ánodo. Las pilas fueron caracterizadas electroquímicamente usando curvas de Carga-Descarga, Capacidad Diferencial y Espectroscopía de Impedancia (EIS). Los resultados muestran la capacidad más alta para el material catódico con x = 0.5. También se estudió la ejecución a altas temperaturas y el recubrimiento con MgO mostrando mejoras en el comportamiento electroquímico.