Деградация поверхности литий-марганцевой шпинели в контакте с электролитным раствором, содержащим гексафторфосфат лития

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Комплексом расчетных и экспериментальных методов в интервале температур 25–60°С исследованы побочные химические взаимодействия в катодном полуэлементе литий-ионных аккумуляторов с положительным электродом на основе LiMn2O4. Показано, что деградация электрода на основе литий-марганцевой шпинели начинается при контакте гранул LiMn2O4 со стандартным (базовым) электролитным раствором (1 M LiPF6 в смеси этиленкарбоната и диметилкарбоната (1 : 1, мас.)) и сопровождается значительным ростом сопротивления интерфейсного слоя во времени. Установлено, что причиной деградации электродов на основе LiMn2O4 в бестоковых условиях является взаимная термодинамическая неустойчивость этого соединения и соли лития LiPF6. Определен состав равновесных продуктов взаимодействия и уточнен механизм критического влияния температуры на деградационные процессы в ЛИА на основе литий-марганцевой шпинели. Предложена модель формирования и эволюции первичного интерфейсного слоя на границе LiMn2O4/электролит, объясняющая отличительные особенности процессов деградации в этой системе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Кошкина

Институт химии твердого тела УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: 4_anastasiakoshkina@mail.ru
Россия, Екатеринбург

Т. В. Ярославцева

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: tanya_yaroslavtseva@mail.ru
Россия, Екатеринбург

А. Е. Укше

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: 4_anastasiakoshkina@mail.ru
Россия, Черноголовка

М. В. Кузнецов

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: 4_anastasiakoshkina@mail.ru
Россия, Екатеринбург

В. Т. Суриков

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: 4_anastasiakoshkina@mail.ru
Россия, Екатеринбург

О. В. Бушкова

Институт химии твердого тела УрО РАН

Email: 4_anastasiakoshkina@mail.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Цуй, С., Фен, Х., Лю, Ц., Танc, Ф., Ли, Х. Пористые наносферы LiMn2O4 в качестве материалов для катодов с длительным сроком службы для литий-ионных аккумуляторов высокой мощности. Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 515. https://doi.org/10.1134/S0424857019040030 [Cui, X., Feng, H., Liu, J., Tang, F., and Li, H., Porous LiMn2O4 nano-microspheres as durable high power cathode materials for lithium ion batteries, Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, p. 531.] https://doi.org/10.1134/S1023193519040037
  2. Blomgren, G.E., The development and future of lithium ion batteries, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, no. 1, p. A5019. https://doi.org/10.1149/2.0251701jes
  3. Schmuch, R., Wagner, R., Hörpel, G., Placke, T., and Winter, M., Performance and cost of materials for lithium-based rechargeable automotive batteries, Nat. Energy, 2018, vol. 3, no. 4, p. 267. https://doi.org/10.1038/s41560-018-0107-2
  4. Julien, C.M., Mauger, A., Zaghib, K., and Groult, H., Comparative issues of cathode materials for Li-ion batteries, Inorganics, 2014, vol. 2, p. 132. https://doi.org/10.3390/inorganics2010132
  5. Кулова, Т. Л., Скундин, А. М. Влияние температуры на характеристики литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов. Электрохимия. 2021. Т. 57. С. 402. https://doi.org/10.31857/S042485702100082 Kulova, T. L. and Skundin, A. M., Temperature effects on the performance of lithium-ion and sodium-ion batteries, Russ. J. Electrochem., 2021, vol. 57, p. 700.] https://doi.org/10.1134/S1023193521070089
  6. Huang, Y., Dong, Y., Li, S., Lee, J., Wang, C., Zhu, Z., Xue, W., Li, Y., and Li, J., Lithium manganese spinel cathodes for lithium-ion batteries, Adv. Energy Mater., 2020, vol. 11, no. 2, 2000997. https://doi.org/10.1002/aenm.202000997
  7. Nitta, N., Wu, F., Lee, J. T., and Yushin, G., Li-ion battery materials: present and future, Mater. Today, 2015, vol. 18, no. 5, p. 252. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040
  8. Winter, M., Besenhard, J.O., Spahr, M.E., and Novák, P., Insertion electrode materials for rechargeable lithium batteries, Adv. Mater., 1998, vol. 10, no. 10, p. 725. https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-4095(199807)10: 10<725::AID-ADMA725>3.0.CO;2-Z
  9. Daniel, C., Mohanty, D., Li, J., and Wood, D.L., Cathode materials review, AIP Conf. Proc.: AIP Publising LLC, 2014, vol. 1597, p. 26. https://doi.org/10.1063/1.4878478
  10. Li, J., Fleetwood, J., Hawley, W.B., and Kays, W., From materials to cell: State-of-the-art and prospective technologies for lithium-ion battery electrode processing, Chem. Rev., 2022, vol. 122, p. 903. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00565
  11. Molenda, J., Electronic limitations of lithium diffusibility. From layered and spinel toward novel olivine type cathode materials, Solid State Ionics, 2005, vol. 176, p. 1687. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2005.04.018
  12. Shimakawa, Y., Numata, T., and Tabuchi, J., Verwey-type transition and magnetic properties of the LiMn2O4 spinels, J. Solid State Chem., 1997, vol. 131, p. 138. https://doi.org/10.1006/jssc.1997.7366
  13. Pillot, C., The rechargeable battery market and main trends 2014–2025, 33rd Annual International Battery Seminar & Exhibit, Fort Lauderdale, FL, USA, 2017, Presentation. http://cii-resource.com/cet/FBC-TUT8/Presentations/Pillot_Christophe.pdf
  14. Xia, Y., Zhou, Y., and Yoshio, M., Capacity fading on cycling of 4 V Li/LiMn2O4 cells, J. Electrochem. Soc., 1997, vol. 144, no. 8, p. 2593. https://doi.org/10.1149/1.1837870
  15. Mauger, A. and Julien, C.M., Surface modifications of electrode materials for lithium-ion batteries: status and trends, Ionics, 2014, vol. 20, p. 751. https://doi.org/10.1007/s11581-014-1131-2
  16. Blyr, A., Sigala, C., Amatucci, G., Guymard, D., Chabre, Y., and Tarascon, J-M., Self-discharge of LiMn2O4/C Li-ion cells in their discharged state, J. Electrochem. Soc., 1998, vol. 145, no. 1, p. 194. https://doi.org/10.1149/1.1838235
  17. Choa, J. and Thackeray, M.M., Structural changes of LiMn2O4 spinel electrodes during electrochemical cycling, J. Electrochem. Soc., 1999, vol. 146, no. 10, p. 3577. https://doi.org/10.1149/1.1392517
  18. Bhandari, A. and Bhattacharya, J., Manganese dissolution from spinel cathode: few unanswered questions, J. Electrochem. Soc., 2016, vol. 164, p. A106. https://doi.org/10.1149/2.0101614jes
  19. Kumagai, N., Komaba, S., Kataoka, Y., and Koyanagi, M., Electrochemical behavior of graphite electrode for lithium ion batteries in Mn and Co additive electrolytes, Chem. Lett., 2000, vol. 29, p. 1154. https://doi.org/10.1246/cl.2000.1154
  20. Edström, K., Gustafsson, T., and Thomas, J.O., The cathode–electrolyte interface in the Li-ion battery, Electrochim. Acta, 2004, vol. 50, p. 397. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2004.03.049
  21. Xiao, X., Liu, Z., Baggetto, L., Veith, G.M., More, K.L., and Unocic, R. R., Unraveling manganese dissolution/deposition mechanisms on the negative electrode in lithium ion batteries, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, vol. 16, no. 22, p. 10398. https://doi.org/10.1039/c4cp00833b
  22. Shin, H., Park, J., Sastry, A. M., & Lu, W., Degradation of the solid electrolyte interphase induced by the deposition of manganese ions, J. Power Sources, 2015, vol. 284, p. 416. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.03.039
  23. Jayawardana, C., Rodrigo, N., Parimalam, B., and Lucht, B.L., Role of electrolyte oxidation and difluorophosphoric acid generation in crossover and capacity fade in lithium ion batteries, ACS Energy Lett., 2021, vol. 6, no. 11, p. 3788. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01657
  24. Gauthier, N., Courreges, C., Demeaux, J., Tessier, C., and Martinez, H., Impact of the cycling temperature on electrode/electrolyte interfaces within Li4Ti5O12 vs LiMn2O4 cells, J. Power Sources, 2020, vol. 448, 227573. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227573
  25. Lee, Y.K., Park, J., and Lu, W. A., Comprehensive study of manganese deposition and side reactions in Li-ion battery electrodes, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, p. A2812. https://doi.org/10.1149/2.1851712jes
  26. Xu, K., Electrolytes and interphases in li-ion batteries and beyond, Chem. Rev., 2014, vol. 114, p. 11503. https://doi.org/10.1021/cr500003w
  27. Gieu, J.B., Winkler, V., Courrèges, C., El Ouatani, L., Tessier, C., and Martinez, H., New insights into the characterization of the electrode/electrolyte interfaces within LiMn2O4/Li4Ti5O12 cells, by X-ray photoelectron spectroscopy, scanning Auger microscopy and time-of-flight secondary ion mass spectrometry, J. Mater. Chem. A, 2017, vol. 5, no. 29, p. 15315. https://doi.org/0.1039/C7TA02529G
  28. Lee, Y.K., Park, J., and Lu, W., A comprehensive experimental and modeling study on dissolution in li-ion batteries, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, p. A1340. https://doi.org/10.1149/2.0111908jes
  29. Kim, D., Park, S., Chae, O.B., Ryu, J.H., Kim, Y.U., Yin, R.Z., and Oh, S.M., Re-deposition of manganese species on spinel LiMn2O4 electrode after Mn dissolution, J. Electrochem. Soc., 2012, vol. 159, p. A193. https://doi.org/10.1149/2.003203jes
  30. Сычева, В.О., Чуриков, А.В. Литий-марганцевые шпинели: пути повышения стабильности и энергоемкости. Электрохим. энергетика. 2009. Т. 9. № 4. С. 175. [Sycheva, V.O. and Churikov, A.V., Lithium-manganese spinels: ways to increase stability and energy capacity, Electrokhimicheskaya energetika (in Russian), 2009, vol. 9, no. 4, p. 175.]
  31. Banerjee, A., Shilina, Y., Ziv, B., Ziegelbauer, J.M., Luski, S., Aurbach, D., and Halalay, I.C., Review – Multifunctional materials for enhanced Li-ion batteries durability: a brief review of practical options, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, p. A6315. https://doi.org/10.1149/2.0451701jes
  32. Xu, K., Nonaqueous liquid electrolytes for lithium-dased rechargeable batteries, Chem. Rev., 2004, vol. 104, p. 4303. https://doi.org/10.1021/cr030203g
  33. Liu, T., Lin, L., Bi, X., Tian, L., Yang, K., Liu, J., Li, M., Chen, Z., Lu, J., Amine, K., Xu, K., and Pan, F., In situ quantification of interphasial chemistry in Li-ion battery, Nat. Nanotechnol., 2019, vol. 14, p. 50. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0284-y
  34. Winter, M., The solid electrolyte interphase – the most important and the least understood solid electrolyte in rechargeable Li batteries, Z. Phys. Chem., 2009, vol. 223, p. 1395. https://doi.org/10.1524/zpch.2009.6086
  35. Xu, K. and Cresce, A. v. W., Interfacing electrolytes with electrodes in Li ion batteries, J. Mat. Chem., 2011, vol. 21, p. 9849. https://doi.org/10.1039/c0jm04309e
  36. Xu, K. and Cresce, A. v. W., Li+–solvation/desolvation dictates interphasial processes on graphitic anode in Li ion cells, J. Mater. Res., 2012, vol. 27, no. 18, p. 2327. https://doi.org/10.1557/jmr.2012.104
  37. Aurbach, D., Markovsky, B., Salitra, G., Markevich, E., Talyossef, Y., Koltypin, M., Nazar, L., Ellis, B., and Kovacheva, D., Review on electrode–electrolyte solution interactions, related to cathode materials for Li-ion batteries, J. Power Sources, 2007, vol. 165, p. 491. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.10.025
  38. Lei, J., Li, L., Kostecki, R., Muller, R., and McLarnon, F., Characterization of SEI layers on LiMn2O4 cathodes with in situ spectroscopic ellipsometry, J. Electrochem. Soc., 2005, vol. 152, p. A774. https://doi.org/10.1149/1.1867652
  39. Matsuo, Y., Kostecki, R., and McLarnon, F., Surface layer formation on thin-film LiMn2O4 electrodes at elevated temperatures, J. Electrochem. Soc., 2001, vol. 148, p. A687. https://doi.org/10.1149/1.1373658
  40. Amamlraj, S.F., Sharabi, R., Sclar, H., and Aurbach, D., On the surface chemistry of cathode materials in Li-ion batteries, in Electrolytes for Lithium and Lithium-Ion Batteries, Jow, T. R., Xu, K., Borodin, O., Ue, M., Eds, NY: Springer Science+Business Media, 2014, p. 283–321. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-0302-3_6
  41. Rodríguez - Carvajal, J., Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction, Physica B: Condens. Matter, 1993, vol. 192, no. 1–2, p. 55. https://doi.org/10.1016/09214526(93)90108I
  42. Синярев, Г.Б, Трусов, Б.Г., Слынько Л.Е. Универсальная программа для определения состава многокомпонентных рабочих тел и расчета некоторых тепловых процессов. Труды МВТУ. 1973. № 159. [Sinyarev, G.B., Trusov, B.G., and Slynko L.E, A universal program for determining the composition of multicomponent working fluids and calculating some thermal processes, Trudi MVTU (in Russian), 1973, no. 159.]
  43. Моисеев, Г.К., Ватолин, Н.А., Маршук, Л.А., Ильиных, Н.И. Температурные зависимости приведенной энергии Гиббса некоторых неорганических веществ (альтернативный банк данных ASTRA.OWN). Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1997. 230 с. [Moiseev, G.K., Vatolin, N.A., Marshuk, L.A., and Ilinykh, N.I., Temperature Dependences of the Reduced Gibbs Energy of Some Inorganic Substances (Alternative Data Bank ASTRA.OWN). Yekaterinburg: Publishing House of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 1997. 230 p.]
  44. Ватолин, Н.А., Моисеев, Г.К., Трусов, Б.Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных неорганических системах, М.: Металлургия, 1994. 352 c. [Vatolin, N.A., Moiseev, G.K., and Trusov, B.G., Thermodynamic modeling in high-temperature inorganic systems. Moscow: Metallurgy, 1994. 352 p.]
  45. Моисеев, Г.К., Ватолин, Н.А. Некоторые закономерности изменения и методы расчета термохимических свойств неорганических соединений, Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2001. 136 c. [Moiseev, G.K. and Vatolin, N.A., Some patterns of change and methods for calculating the thermochemical properties of inorganic compounds. Yekaterinburg: Publishing House of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2001. 136 p.]
  46. Моисеев, Г.К., Вяткин, Г.П. Термодинамическое моделирование в неорганических системах, Челябинск: Изд. Южно-Уральского госуниверситета, 1999, 256 с.
  47. Кубашевский, О., Олкокк, С.Б. Металлургическая термохимия, М.: Металлургия, 1982. 392 c. [Kubash’evsky, O. and Olkock, S. B., Metallurgical thermochemistry (in Russian), Moscow: Metallurgy, 1982. 392 p.]
  48. Yokokawa, H., Tables of thermodynamic properties of inorganic compounds, Spec. Issue J. Nat. Chem. Lab. Ind., 1998, vol. 83, p. 27.
  49. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справ. изд. в 4-х т. / Гурвич, Л.В., Вейц, И.В., Медведев, В.А. и др.; редкол.: Глушко, В.П. (отв. ред.) и др. М.: Наука, 1978-1979. [Thermodynamic properties of individual substances. in 4 vol. Gurvich, L.V., Weitz, I.V. Medvedev, V.A., etc.; Glushko, V.P., Editor. (in Russian), Moscow: Science, 1978-1979.]
  50. Gavritchev, K.S., Sharpataya, G.A., Smagin, A.A., Malyi, E.N., and Matyukha, V. A., Calorimetric study of thermal decomposition of lithium hexafluorophosphate, J. Therm. Anal. Cal., 2003, vol. 73, p. 71. https://doi.org/10.1023/A:1025125306291
  51. Гавричев, К.С., Шарпатая, Г.A., Голушина, Л.Н., Плахотник, В.Н., Гончарова, И.В. Теплоемкость и термодинамические функции LiPF6. Журн. неорган. химии. 2002. Т. 47. № 7. С. 1048. [Gavrichev, K.S., Sharpataya, G.A., Golushina, L.N., Plakhotnik, V.N., and Goncharova, I.V., Heat capacity and thermodynamic functions of LiPF6, Russ. J. Inorg. Chem., 2002, vol. 47, no. 7, p. 940.]
  52. Knyazev, A.V., Maczka, M., Smirnova, N.N., Knyazeva, S.S., Chernorukov, N.G., Ptak, M., and Shushunov, A.N., Study of the phase transition and thermodynamic functions of LiMn2O4, Thermochim. Acta, 2014, vol. 593, p. 58. https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.08.020
  53. Князева, С.С. Строение и физико-химические свойства сложных оксидов со структурой шпинели: Дис. ... канд. хим. наук. 02.00.01. Нижний Новгород, 2015, 125 с. [Knyazeva, S.S., Structure and physico-chemical properties of complex oxides with spinel structure: dissertation of PhD. 02.00.01(in Russian). Nizhny Novgorod, 2015, 125 p.]
  54. Santiago, E.I., Andrade, A.V.C., Paiva-Santos, C.O., and Bulhoes, L.O.S., Structural and electrochemical properties of LiCoO2 prepared by combustion synthesis, Solid State Ionics, 2003, vol. 158, p. 91. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(02)00765-8
  55. Dorn, W.S., Variational principles for chemical equilibrium, J. Chem. Phys., 1960, vol. 32, p. 1490. https://doi.org/10.1063/1.1730947
  56. Бушкова, О.В., Андреев, О.Л., Баталов, Н.Н., Шкерин, С.Н., Кузнецов, М.В., Тютюнник, А.П., Корякова, О.В., Song, E.H., Chung, H.J. Химические взаимодействия в катодном полуэлементе литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. энергетика. 2005. Т. 5. № 2. С. 74. [Bushkova, O.V., Andreev, O.L., Batalov, N.N., Shkerin, S.N., Kuznetsov, M.V., Tyutyunnik, A.P., Koryakova, O.V., Song, E.H., and Chung, H.J., Chemical interaction in the cathode half-element of lithium ion batteries, Electrochemical Energetics, 2005, vol. 5, no. 2, p. 74 (in Russian).] http://energetica.sgu.ru/en/node/2527
  57. Bushkova, O.V., Andreev, O.L., Batalov, N.N., Shkerin, S.N., Kuznetsov, M.V., Tyutyunnik, A.P., Koryakova, O., Song, E.H., and Chung, H.J., Chemical interactions in the cathode half-cell of lithium-ion batteries. Part I. Thermodynamic simulation, J. Power Sources, 2006, vol. 157, p. 477. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.07.078
  58. Novikov, D.V., Evschik, E.Yu., Berestenko, V.I., Yaroslavtseva, T.V., Levchenko, A.V., Kuznetsov, M.V., Bukun, N.G., Bushkova, O.V., and Dobrovolsky, Yu.A., Electrochemical performance and surface chemistry of nanoparticle Si@SiO2 Li-ion battery anode in LiPF6-based electrolyte, Electrochim. Acta, 2016, vol. 208, p. 109. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.04.179
  59. Julien, C., Mauger, A., Vijh, A., and Zaghib, K. Lithium Batteries: Science and Technology, N.Y.: Springer, 2016. P. 175–180.
  60. Mauger, A. and Julien, C.M., Critical review on lithium-ion batteries: Are they safe? Sustainable? Ionics, 2017, vol. 23, p. 1933. https://doi.org/10.1007/s11581-017-2177-8
  61. Whittingham, M.S., History, evolution, and future status of energy storage, Proc. IEEE, 2012, vol. 100 (Special Centennial Issue), p. 1518. https://doi.org/10.1109/JPROC.2012.2190170
  62. Aurbach, D., Levi, M., Gamulski, K., Markovsky, B., Salitra, G., Levi, E., Heider, U., Heider, L., and Oesten, R., Capacity fading of LixMn2O4 spinel electrodes studied by XRD and electroanalytical techniques, J. Power Sources, 1999, vol. 81–82, p. 472. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(99)00204-9
  63. Vorobeva, K.A., Eliseeva, S.N., Apraksin, R.V., Kamenskii, M.A., Tolstopjatova, E.G., and Kondratiev, V.V., Improved electrochemical properties of cathode material LiMn2O4 with conducting polymer binder, J. Alloys Compd., 2018, vol. 766, p. 33. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.324
  64. Ryou, M.H., Han, G.B., Lee, Y.M., Lee, J.N., Lee, D.J., Yoon, Y.O., & Park, J.K., Effect of fluoroethylene carbonate on high temperature capacity retention of LiMn2O4/graphite Li-ion cells, Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, p. 2073. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2009.11.036
  65. Журавлев, В.Д., Щеколдин, С.И., Андрюшин, С.Е, Шерстобитова, Е.А., Нефедова, К.В., Бушкова, ОВ Электрохимические характеристики и фазовый состав литий-марганцевой шпинели с избытком лития Li1+xMn2O4. Электрохим. энергетика. 2020. Т. 20. № 3. С. 157. [Zhuravlev, V.D., Shchekoldin, S.I., Andrjushin, S.E., Sherstobitova, E.A., Nefedova, K.V., and Bushkova, O.V., Electrochemical characteristics and phase composition of lithium–manganese oxide spinel with excess lithium Li1+xMn2O4, Electrochem. Energetics, 2020, vol. 20, no. 3, p. 157 (in Russian).] https://doi.org/10.18500/16080-4039-2020-20-3-157-170
  66. Астафьев, Е.А. Практическое руководство по методу электрохимического импеданса, Черноголовка: ФИЦ ПХФ и МХ РАН, 2022. 132 с. [Astafiev, E.A., Practical guide to the electrochemical impedance method (in Russian), Chernogolovka: FRC PCP and MC RAS, 2022. 132 p.]
  67. Levi, M.D., Salitra, G., Markovsky, B., Teller, H., Aurbach, D., Heider, U., and Heider, L., Solid-State Electrochemical Kinetics of Li-Ion Intercalation into Li1−xCoO2: Simultaneous Application of Electroanalytical Techniques SSCV, PITT, and EIS, J. Electrochem. Soc., 1999, vol. 146, p. 1279. https://doi.org/10.1149/1.1391759
  68. Aurbach, D., Gamolsky, K., Markovsky, B., Salitra, G., Gofer, Y., Heider, U., Oesten, R., and Schmidt, M., The Study of Surface Phenomena Related to Electrochemical Lithium intercalation into LixMOy Host Materials (M = Ni, Mn), J. Electrochem. Soc., 2000, vol. 147, p. 1322. https://doi.org/10.1149/1.1393357
  69. Levi, M.D. and Aurbach, D., Simultaneous measurements and modeling of the electrochemical impedance and the cyclic voltammetric characteristics of graphite electrodes doped with lithium, J. Phys. Chem. B, 1997, vol. 101, p. 4630. https://doi.org/10.1021/jp9701909
  70. Aurbach, D., Levi, M.D., Levi, E., Teller, H., Markovsky, B., and Salitra, G., Common electroanalytical behavior of Li intercalation processes into graphite and transition metal oxides, J. Electrochem. Soc., 1998, vol. 145, no. 9, p. 3024. https://doi.org/10.1149/1.1838758
  71. Osaka, T., Mukoyama, D., and Nara, H., Review – Development of diagnostic process for commercially available batteries, especially lithium ion battery, by electrochemical impedance spectroscopy, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 162, p. A2529. https://doi.org/10.1149/2.0141514jes
  72. Li, Q., Lu, D., Zheng, J., Jiao, S., Luo, L., Wang, C.-M., Xu, K., Zhang, J.-G., and Xu, W., Li+ desolvation dictating lithium-ion battery’s low temperature performances, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, vol. 9, p. 42761. https://doi.org/10.1021/acsami.7b13887
  73. Xu, K., von Cresce, A., and Lee, U., Differentiating contributions to “ion transfer” barrier from interphasial resistance and Li+ desolvation at electrolyte/graphite interface, Langmuir, 2010, vol. 26, p. 11538. https://doi.org/10.1021/la1009994
  74. Tatara, R., Karayaylali, P., Yu, Y., Zhang, Y., Giordano, L., Maglia, F., Jung, R., Schmidt, J.P., Lund, I., and Shao-Horn, Y., The effect of electrode-electrolyte interface on the electrochemical impedance spectra for positive electrode in Li-ion battery, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, p. A5090. https://doi.org/10.1149/2.0121903jes
  75. Eriksson, T., Andersson, A.M., Bishop, A.G., Gejke, C., Gustafsson, T., and Thomas, J. O., Surface analysis of LiMn2O4 electrodes in carbonate-based electrolytes, J. Electrochem. Soc., 2001, vol. 149, p. A69. https://doi.org/10.1149/1.1426398
  76. Amatucci, G.G., Pereira, N., Zheng, T., and Tarascon, J.M., Failure mechanism and improvement of the elevated temperature cycling of LiMn2O4 compounds through the use of the LiAlxMn2−xO4−zFz solid Solution, J. Electrochem. Soc., 2001, vol. 148, p. A171. https://doi.org/10.1149/1.1342168
  77. Militello, M.C. and Gaarenstroom, S. W., Lithium manganese oxide (LiMn2O4) by XPS, Surf. Sci. Spectra, 2001, vol. 8, p. 207. https://doi.org/10.1116/11.20020402
  78. Eriksson, T., Andersson, A.M., Gejke, C., Gustafsson, T., and Thomas, J.O., Influence of temperature on the interface chemistry of LixMn2O4 electrodes, Langmuir, 2002, vol. 18, p. 3609. https://doi.org/10.1021/la011354m
  79. Duncan, H., Duguay, D., Abu-Lebdeh, Y., and Davidson, I.J., Study of the LiMn1.5Ni0.5O4/electrolyte interface at room temperature and 60° C, J. Electrochem. Soc., 2011, vol. 158, p. A537. https://doi.org/10.1149/1.3567954
  80. Herstedt, M., Stjerndahl, M., Nytén, A., Gustafsson, T., Rensmo, H., Siegbahn, H., Ravet, N., Armand, M., Thomas, J.O., and Edström, K., Surface chemistry of carbon-treated LiFePO4 particles for Li-ion battery cathodes studied by PES, Electrochem. Solid-State Lett., 2003, vol. 6, p. A202. https://doi.org/0.1016/j.jpowsour.2007.06.050
  81. Gauthier, M., Karayaylali, P., Giordano, L., Feng, S., Lux, S.F., Maglia, F., and Shao-Horn, Y., Probing surface chemistry changes using LiCoO2-only electrodes in Li-ion batteries, J. Electrochem. Soc., 2018, vol. 165, p. A1377. https://doi.org/10.1149/2.0431807jes
  82. Andersson, A.M., Herstedt, M., Bishop, A. G., and Edström, K., The influence of lithium salt on the interfacial reactions controlling the thermal stability of graphite anodes, Electrochim. Acta, 2002, vol. 47, p. 1885. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(02)00044-0
  83. Aurbach, D., Weissman, I., Schechter, A., and Cohen, H., X-ray photoelectron spectroscopy studies of lithium surfaces prepared in several important electrolyte solutions, A comparison with previous studies by Fourier transform infrared spectroscopy, Langmuir, 1996, vol. 12, p. 3991. https://doi.org/10.1021/la9600762
  84. Aurbach, D., Markovsky, B., Shechter, A., Ein‐Eli, Y., and Cohen, H., A comparative study of synthetic graphite and Li electrodes in electrolyte solutions based on ethylene carbonate‐dimethyl carbonate mixtures, J. Electrochem. Soc., 1996, vol. 143, p. 3809. https://doi.org/10.1149/1.1837300
  85. Chowdari, B.V.R., Mok, K.F., Xie, J.M., and Gopalakrishnan, R., Electrical and structural studies of lithium fluorophosphate glasses, Solid State Ionics, 1995, vol. 76, p. 189. https://doi.org/10.1016/0167-2738(94)00280-6
  86. Moulder, J.F., Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy, Perkin-Elmer Corporation, 1992. 261 p.
  87. Duncan, H., Abu-Lebdeh, Y., and Davidson, I.J., Study of the cathode–electrolyte interface of LiMn1.5Ni0.5O4 synthesized by a sol–gel method for Li-ion batteries, J. Electrochem. Soc., 2010, vol. 157, p. A528. https://doi.org/10.1149/1.3321710
  88. Chowdari, B.V.R., Tan, K.L., and Chia, W.T., Raman and X-ray photoelectron spectroscopic studies of lithium phosphotungstate glasses, Solid state ionics, 1992, vol. 53, p. 1172. https://doi.org/10.1016/0167-2738(92)90308-C
  89. Bryngelsson, H., Stjerndahl, M., Gustafsson, T., and Edström, K., How dynamic is the SEI? J. Power Sources, 2007, vol. 174, p. 970. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.06.050
  90. NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database version 4.1. https://srdata.nist.gov/xps/Default.aspx
  91. Militello, M.C. and Gaarenstroom, S.W., Graphite-filled poly (vinylidene fluoride) (PVDF) by XPS, Surf. Sci. Spectra, 1999, vol. 6, p. 141. https://doi.org/10.1116/1.12479080
  92. Biesinger, M.C., Accessing the robustness of adventitious carbon for charge referencing (correction) purposes in XPS analysis: Insights from a multi-user facility data review, Appl. Surf. Sci., 2022, vol. 597, art. 153681. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153681
  93. Amatucci, G.G., Schmutz, C.N., Blyr, A., Sigala, C., Gozdz, A.S., Larcher, D., and Tarascon, J.M., Materials’ effects on the elevated and room temperature performance of C/LiMn2O4 Li-ion batteries, J. Power Sources, 1997, vol. 69, p. 11. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(97)02542-1
  94. Amatucci, G.G., Blyr, A., Sigala, C., Alfonse, P., and Tarascon, J. M., Surface treatments of Li1+xMn2−xO4 spinels for improved elevated temperature performance, Solid State Ionics, 1997, vol. 104, p. 13. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00407-4
  95. Yi, T.F., Zhu, Y.R., Zhu, X.D., Shu, J., Yue, C.B., and Zhou, A.N., A review of recent developments in the surface modification of LiMn2O4 as cathode material of power lithium-ion battery, Ionics, 2009, vol. 15, p. 779. https://doi.org/10.1007/s11581-009-0373-x
  96. Бушкова, О.В., Ярославцева, T.В., Добровольский, Ю.А. Новые соли лития в электролитах для литий-ионных аккумуляторов (обзор). Электрохимия. 2017. Т. 53. С. 763. https://doi.org/10.7868/S0424857017070015 [Bushkova, O.V., Yaroslavtseva, T.V., and Dobrovolsky, Yu.A., New lithium salts in electrolytes for lithium-ion batteries (Review), Russ. J. Electrochem., 2017, vol. 53, p. 677.] https://doi.org/10.1134/S1023193517070035

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальная (точки) и расчетная (линия) рентгенограммы синтезированного соединения LiMn2O4. Штрихами обозначены положения Брэгговских рефлексов. Разность между рассчитанными и наблюдаемыми интенсивностями показана внизу (сплошная линия).

Скачать (194KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Электронные микрофотографии порошка LiMn2O4 при различных увеличениях.

Скачать (578KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение частиц LMO по размерам.

Скачать (172KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Состав равновесных продуктов взаимодействия в модельной системе “LiMn2O4 + LiPF6 + H2O + Ar” при 25°С, представленный как зависимость мольной доли i-го продукта (xi) от мольного отношения LiPF6 и LiMn2O4 в заданной исходной смеси (n – число молей реагента).

Скачать (345KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние температуры на мольную долю PF5 и POF3 в составе равновесных продуктов взаимодействия в модельной системе “LiMn2O4 + LiPF6 + H2O + Ar”.

Скачать (111KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (а) Зарядно-разрядные кривые ячеек Li │Li+│ LiMn2O4 для 2, 5, 10 и 100-го циклов; (б) зависимость разрядной емкости (Q) электрода на основе LMO и кулоновской эффективности циклирования (CE) от номера цикла. (Электролит: 1 M раствор LiPF6 в ЕС/DMC (1 : 1, мас.); нормированный ток заряда и разряда 0.1С; температура 25°С).

Скачать (148KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Спектры импеданса симметричных ячеек LiMn2O4 │Li+│ LiMn2O4, измеренные в ходе длительных изотермических выдержек при 25 (а), 40 (б) и 60°С (в). На врезках приведены соответствующие эквивалентные схемы. (Электролит: 1 M LiPF6 в EC/DMC (1 : 1, мас.).)

Скачать (431KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Эквивалентная схема, описывающая процесс интеркаляции лития в активный материал электрода литий-ионного аккумулятора (а) и соответствующий вид годографа импеданса (б). Адаптировано из [66, 67, 69]. Rel – сопротивление электролита в сепараторе, RCEI – суммарное сопротивление интерфейсного слоя, Rct – сопротивление переноса заряда, Cdl – емкость двойного слоя на поверхности частиц активного материала, ZW – элемент Варбурга (диффузионный импеданс), Сint – емкость интеркаляции.

Скачать (475KB)
Метаданные
10. Рис. 9. RCEI и Rct как функция времени изотермической выдержки при 25°С (а) и 40°С (б); общее сопротивление R (комбинация RCEI и Rct) как функция времени для всех температур (в).

Скачать (343KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Сопротивление электролита Rel как функция времени для различных температур выдержки.

Скачать (190KB)
Метаданные
12. Рис. 11. СЭМ-изображения электродов на основе LMO: до взаимодействия с электролитом (а) и после измерений спектров импеданса ячеек LiMn2O4 │1 M LiPF6 в EC/DMC (1 : 1, мас.)│ LiMn2O4 в условиях длительных изотермических выдержек при 40 (б) и 60оС (в) в течение 20 сут. при различных увеличениях.

Скачать (1MB)
Метаданные
13. Рис. 12. Фотографии сепараторов, извлеченных из ячеек LiMn2O4 │1 M LiPF6 в EC/DMC (1 : 1, мас.)│ LiMn2O4 после измерений спектров импеданса в условиях длительных изотермических выдержек при 25 (а), 40 (б) и 60°С (в) в течение 20 сут. (черные пятна – отслоившаяся от токового коллектора электродная масса на основе LMO).

Скачать (426KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Спектры РФЭС исходного порошка LMO (а), порошка LMO, выдержанного в растворе электролита (б), свежеприготовленного сухого электрода на основе LMO (в) и электрода, извлеченного из ячейки после измерений спектров импеданса при 40°С в течение 20 сут. (г).

Скачать (653KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Cхема формирования и эволюции слоя продуктов побочных химических взаимодействий на поверхности частиц литий-марганцевой шпинели при выдержке в стандартном электролите, содержащем LiPF6.

Скачать (379KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024