新型锂离子电池正极材料 LiNi0.5Mn1.5O4的形貌与组分分析★

汪洋，姚宏旭，杨永兴

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所， 江苏 苏州215011）

新型锂离子电池正极材料 LiNi0.5Mn1.5O4的形貌与组分分析★

汪洋，姚宏旭，杨永兴

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所， 江苏 苏州215011）

针对新型锂离子电池正极材料 LiNi0.5Mn1.5O4， 采用 SEM、 EDS 等手段进行分析， 确定了导致电池性能不同的原因。同时，证明了扫描电镜和能谱仪能够应用于新材料的分析中。

锂离子电池；正极材料；扫描电镜；能谱仪

0 引言

锂离子电池作为一种新型的二次电池，与传统的镍氢、镍镉、铅酸电池等相比，具有工作电压高、循环性能好、放电比容量大和环保无污染等优点，从诞生以来就受到不断的关注。在锂离子电池的研究体系中，正极材料占据了很大的比例，它直接影响着锂离子电池性能的好坏和电池的生产成本。所以，提高锂离子电池性能，促进锂离子电池技术的发展，其关键就在于研究开发性能优越的新型正极材料[1]。

相 比 于 LiCoO2、 三 元 材 料 、 LiMn2O4和 LiFe-PO4等正 极 材 料 ， 尖 晶 石 型 LiNi0.5Mn1.5O4具 有 较 高的理论容量 （146.7 mAh g-1）、 高电压平台 （4.7 V）， 以及优异的循环性能[2-3]。 研究表明， 对 LiN-i0.5Mn1.5O4进行掺杂改性可以改善其性能[4-5]。 另外，材料的形貌与性能也密切相关[6]。

本 文 取 3 份 电池性能 各 异的 LiNi0.5Mn1.5O4正极材料，从组成和形貌分析了其性能优劣的原因。

1 形貌与组分分析

如图1 所示， 比较 3 组 LiNi0.5Mn1.5O4电池在 0.1 C中的放电比容量和循环性能，发现:样品A的充放电比容量为 102 mAh/g， 样品 B 的充放电比容量为 119 mAh/g， 样品 C 的充放电比容量为 122 mAh/g； 样品 B 和 C 明显地高于 A。 由循环性能图可以看出:C样品的容量最高循环好，A容量的最低循环最差。

3 组电池组装时使用了相同的负极 （锂片）、电解液和集流体，所不同的是使用了3个不同批次的 LiNi0.5Mn1.5O4正极 材 料。 为 了 确 定 是 否 是 正 极LiNi0.5Mn1.5O4对电池性能造成的影响 ， 我 们 各 取 1份正极材料分别标记为 A、 B、 C对其进行分析。

图1 3组电池的充放电曲线和循环性能

2 XRD分析

我们用 X 射线衍射仪 （XRD）对 3 份样品进行分析， 结果如图2所示。 由图2发现:3份样品的衍射花样与标准卡片 （JCPDS 80-2162）相对比 ， 均可 指 标化为 纯相 的 尖 晶 石型 LiNi0.5Mn1.5O4，所有样品的衍射峰尖锐， 结晶度较好。 通过 XRD的比较，我们并没有发现3份材料结构上有明显的不同。

图 2 3份样品的XRD 图

3 SEM 分析

取少量的3份样品，通过扫描电镜对其进行形貌分析， 结果如图 3所示。 由图 3发现: 样品A、B呈颗粒状，样品C为大小比较均一的球状。研究表明，球状可以提高材料的振实密度，增大比表面积，提高材料的电化学性能[7]。 而颗粒状样品由于合成过程中需要经过高温煅烧，存在颗粒团聚现象，阻碍了锂离子的扩散。因此，我们通过扫描电镜观察结果可以确认，样品C的放电和循环性能明显地优于A、B样品主要是材料形貌的贡献。

4 EDS分析

对 3 份样品做能谱分析 （EDS）， 如图 4 所示。由结果可知: 样品 A、 C 中含有 Ni、 Mn 元素， 含量比例接近； 样品 B 中除了含有 Ni、 Mn 元素外，还存在少量的 Co元素， 说明样品 B 进行了钴离子的掺杂改性。 而 Co3+等高价 态 金属离 子 对 LiN-i0.5Mn1.5O4进行掺杂形成固溶体， 在材料结构中产生阳离子缺陷，有利于锂离子的脱嵌和电子传导，改善电化学性能[8]。 因此， 样品 A、 B 虽具有相同的形貌特征，但是B样品因为金属离子的掺杂改性而具有更优异的电化学性能。

5 结论

通过以上分析，我们可以得出结论，即造成3组电池性能差异的原因主要有两点:1）材料形貌上的差异，球形形貌能得到更大的比表面积和更高的振实密度； 2）材料组分上的不同， 金属离子掺杂改性形成的阳离子缺陷提高了电子和离子的传导率。

图4 3份样品的 EDS图

因此，在进行材料合成制备时，我们可以利用电镜、能谱等手段预先对材料进行形貌和组成分析，通过调控合成条件得到有利于提高性能的材料。

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[8]赵飞.锂离子电池正极材料 LiFePO4的制备及其改性研究 [D].合肥: 合肥工业大学， 2010.

M orphology and Com position Analysis of the New Lithium-Ion Battery Cathode M aterial LiNi0.5M n1.5O4

WANG Yang， YAO Hong-xu，YANG Yong-xing
（CEPREI-EAST， Suzhou 215011， China）

As a new cathodematerial of lithium ion batteries， LiNi0.5Mn1.5O4was analyzed by the means of SEM and EDS.The causes of different perform ance of the batteries are determ ined. It is demonstrated that the scanning electron microscopy and spectroscopy can be applied to the analysis of the new materials.

lithium ion battery； cathode materials； lithium nickel manganese oxide； SEM；EDS

TM 911.48

： A

： 1672-5468 （2014）06-0032-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.06.005

科技部创新基金项目 （13C262432）资助

2014-06-06

2014-12-01

汪洋 （1980-）， 男， 安徽黄山人， 工业和信息化部电子第五研究所华东分所 （中国赛宝华东实验室）工程师，硕士， 主要从事材料表征、 PCB&PCBA 检测分析工作。