FullProf軟件在合成LiMn2O4及其改性材料中的應用研究

史晉宜 徐孝鋒

摘 要：文章采用溶劑-凝膠法制備錳酸鋰及其改性材料，采用氫氧化鋰、乙酸猛、檸檬酸為主要原料，并主要通過FullProf軟件對其進行精修來獲得產品參數來觀察產品晶胞構型，同時采用X-射線衍射（XRD），電池性能測試系統（LAND）等手段對樣品的結構來進行分析以測試摻雜后的樣品性能。

關鍵詞：鋰離子電池；錳酸鋰；FullProf軟件

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0178-03

Abstract： In this paper， lithium manganate and its modified materials were prepared by solvent-gel method. Lithium hydroxide， acetic acid and citric acid were used as main raw materials and refined by FullProf software to obtain the product parameters so as to observe the unit cell configuration of the product. At the same time， X-ray diffraction（XRD）， LAND battery performance testing system was used to analyze the structure of the samples to test the properties of the doped samples.

Keywords： lithium-ion battery； lithium manganate； FullProf software

1 概述

鋰離子電池是20 世紀90 年代初才出現的綠色高能可充電池，正是由于它具有電壓高、比能量大、充放壽命長、放電性能穩定、比較安全、無污染等特點[1]， 深受社會和用戶的歡迎。

尖晶石型錳酸鋰陰極材料以其資源豐富、成本低廉、易于制備、安全性高、無毒無污染等優點，被認為是現今最具發展前景的鋰離子電池陰極材料之一[2]。尖晶石LiMn2O4的合成方法有很多種，選擇一種最佳的方式制備它卻是至關重要的。到目前為止已經有太多的方法被實施，如高溫固相合成法，機械活化法，熔融鹽法，微波法，固相配位反應法，Penehini法，溶膠-凝膠法共沉淀法，乳化干燥法，噴霧干燥法等等[3]。但是循環壽命較差和容量衰減的問題很直接的影響其商品化進程。因此本文對錳酸鋰材料進行摻雜Fe3+改性，并使用Fullprof軟件對改性后的晶體進行深度分析，探討摻雜對晶體結構的影響，從而指導下一步的改性思路。

2 實驗部分

晶體材料制備

實驗采用溶劑-凝膠法在800℃溫度下合成LiMn2O4 [4]。合成方法如下：采用溶劑凝膠法：將LiOH·H2O、Mn（CH3COO）2以及絡合劑（檸檬酸）一起放入燒杯中，混合制成水溶液，經成膠、凝膠工藝過程后，再烘干、800℃下高溫煅燒得到LiMn2O4正極材料。

電池的制備

稱取0.01gLiMn2O4粉末與0.004g特富隆化乙烯炭黑（TAB）混合后，壓制成1cm2大小電極片，真空干燥箱中80℃下烘干4h后，制成電池的陰極；用金屬鋰/聚丙烯薄膜分別做電池的陽極和絕緣隔膜；電解液采用1：1混合的碳酸乙烯酯和二甲基碳酸二甲酯，電解質為LiPF6。將其組成CR2032的紐扣電池，有待進行進一步的電化學測試。

3 實驗結果與討論

尖晶石結構LiMn2O4以及Fe離子摻雜的LiMn2O4電極材料X射線衍射結果如圖1所示。從X射線衍射測試結果可以看出，合成的樣品XRD結果與尖晶石結構的錳酸鋰標準譜圖一致，而且其峰型比較窄，峰值強度比較高，說明LiMn2O4晶體的結晶度比較好，未見到雜質峰，我們可以進一步確定溶液-凝膠法可以合成晶相單一的尖晶石結構LiMn2O4產品。同時，Fe離子摻雜后的晶體材料結構與未摻雜前保持一致，出現這種情況一般有兩種原因；一是摻雜的Fe離子成功進入LiMn2O4晶體晶格中，并且并未改變LiMn2O4晶體空間構型，或者摻雜的Fe3+并未進入晶格中，但雜質量過小，超出了XRD測量的精度范圍。具體的分析結果需通過Fullprof軟件精修獲得。

FullProf軟件對摻雜前后LiMn2O4晶體XRD測試擬合結果如圖2及圖3所示。

從擬合結果可知，擬合后的兩個樣品的“Bragg”值均較低（樣品LiMn2O4的值為2.916，樣品Li1+XMn2-XFeXO4的值為1.777），故說明擬合結果與原始數值基本一致，得到精修參數值能夠反映實際得到的產品情況。另外，兩種晶體的構型均為Fd3m，故少量Fe3+的摻雜并不會改變晶體的空間構型。

從擬合具體參數可知，樣品LiMn2O4的晶胞尺寸數據a=b=c=8.24，體積=559.48；樣品Li1+XMn2-XFeXO4的晶胞尺寸數據a=b=c=8.25.體積=561.52.鐵摻雜的產品晶胞體積大于未摻雜的樣品。主要原因是半徑稍大Fe3+進入晶格中后，取代了半徑稍小的Mn3+，同時具有較大離子半徑的Li+含量也有所增加，因此樣品Li1+XMn2-XFeXO4的晶胞體積在一定程度上稍有增加。以上種種結果說明摻雜的Fe離子已經成功進入LiMn2O4晶體晶格中。一般認為，LiMn2O4晶體電化學性能較差主要是由于在充放電過程中晶體存在嚴重的Jahn-Taller效應，而摻雜則是抑制Jahn-Taller效應的有效手段之一。因此，我們進行了進一步的電化學性能測試來考查摻雜的效果。

摻雜前后LiMn2O4材料電化學循環性能測試結果如圖4所示。以未摻雜的LiMn2O4為電極材料制成電池，其初始容量為115.8mAh/g，經過50次循環后降低到83.5mAh/g，其容量保持率為72.11%。以Fe離子摻雜的Li1+XMn2-XFeXO4為電極材料制成電池，其初始容量為106.2mAh/g，經過50次循環后降低到102.2mAh/g，其容量保持率為96.23%。摻雜后的產品性能遠遠優于比不摻雜的產品電化學性能。

對于LiMn2O4材料來說，在充放電循環中，其容量衰減主要是由于在充放電過程中，LiMn2O4晶體會由立方晶系轉變為對稱性低且無序性增加的四方晶系，從而導致晶體喪失可逆性，即著名的Jahn-Taller效應的緣故[5]。

而摻雜后，新加入的Fe3+和Li+會使Mn離子的平均化合價升高，Fe3+主要占據了Mn3+的位置，致使Mn3+在Mn離子的比例中降低，從而會抑制Jahn-Taller效應。另外，電化學惰性物質Fe3+的加入，在充放電循環過程中能夠起到穩定晶格結構的作用，從而提高了其循環效率，其容量保持率也增加了很多。

4 結論

（1）溶劑凝膠法成功制備尖晶石結構錳酸鋰，得到的產物結構均勻，穩定。

（2）用X射線衍射，確證合成的物質結構為F3dm空間構型的尖晶石結構LiMn2O4。且得到晶體的結晶性較好。

（3）通過FullProf軟件對XRD測試結果進行擬合顯示Fe3+成功的摻雜進入了晶格當中，其Fe3+所處的位置為Mn3+處的位置。

（4）通過電化學分析測試，其摻雜后的產品的循環性能大大優于未摻雜產品的性能，這主要是由于摻雜抑制了Jahn-Taller效應的發生。

參考文獻：

[1]J.E.Chilton Jr.G.M.Cook，in Abstract：Lithium Nonaqueous Secondary Batteries，ECS fall Meeting，ECS fall Meeting，Boston，1962：90-91.

[2]郭炳煜，徐徽，王先友，等.鋰離子電池[M].長沙：中南大學出版社，2002：1-393.

[3]內田隆裕.電池[M].郭成言，譯.北京：科學出版社，2004：68-69.

[4]吳宇平，戴曉兵，馬軍旗，等.鋰離子電池——應用于實踐[M].北京：化學工業出版社，2004.

[5]吳宇平，萬春榮，姜長印，等.鋰離子二次電池[M].北京：化學工業出版社，2002.