Lityum iyon pillerde katot aktif madde olarak kullanılan LiMn2O4 bileşiğinin elektrokimyasal performansının artırılması
Enhancement of electrochemical performance of LiMn2O4 as a cathode active material for lithium-ion batteries
Yazar: HALİL ŞAHAN
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Bölümü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Spinel LiMn2O4 bileşiği tabakalı yapıya sahip LiCoO2 ve LiNiO2 bileşikleriyle kıyaslandığında, bol bulunan, ucuz, çevre dostu ve üretimi daha kolay olan bir katot aktif maddedir. Ancak spinel LiMn2O4, Jahn-Teller etkisi ve manganın elektrolitte çözünmesi nedeniyle şarj/deşarj sırasında kapasite kaybına uğramaktadır. Bu çalışmada kapasite kaybını önlemek için mangan iyonunun bir kısmının yerine bazı metal iyonları katkılandı ve anaç bileşik LiMn2O4 değişik metal oksitler ile kaplandı. Bu amaçla metal iyonu katkılanmış LiMn2-xMxO4 (M=Al, Ni, Co, Mg, Cu, Zn ve Sr; x = 0.0 - 0.10) bileşikleri sentezlendi ve LiMn2O4 anaç bileşiği Li2O.2B2O3, lityum boro silikat (LBS), CaCO3, Cr2O3, Fe2O3, Cu ve Au-Pd ile kaplandı.Sentezlenen spinel bileşikler elementel analiz, X-ışınları toz kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskopu (SEM) ve termal gravimetrik (TG) analiz ölçümleri ile karakterize edildi. Yüzey kaplama ve metal katkılamanın spinel LiMn2O4 bileşiğinin şarj/deşarj döngü performansına etkisi 1 C (148 mA g-1) akım yoğunluğunda ve 3.5 - 4.5 V aralığında incelendi. Bulunan elektrokimyasal sonuçlara göre, LiMn2O4 bileşiğindeki Mn3+ yerine metal iyonları katkılama ve metal oksit kaplama ile spinel LiMn2O4 bileşiğinin kapasite kaybının azaldığı buna karşın başlangıç kapasitesinin düştüğü bulundu. Anaç bileşik LiMn2O4, 1 C (148 mA g-1) akım yoğunluğu ve 30 şarj/deşarj döngüsünde, %20 kapasite kaybına uğrarken aynı şartlarda, Li2O.2B2O3, Cr2O3, CaCO3, LBS, Fe2O3, Cu ve Au-Pd kaplanmış LiMn2O4 ile Al ve Sr katkılanmış LiMn1.90Al0.1O4 ve LiMn1.95Sr0.05O4 bileşikleri sırasıyla %0, %4, %1, %1, %7, %5, %3, %3 ve %3 gibi düşük kapasite kaybına uğramaktadır. Bu sonuç, LiMn2O4 bileşiğini lityum iyon piller için ilgi çekici yapmaktadır.Anahtar Kelimeler: Lityum İyon Piller, LiMn2O4, Metal Oksit Kaplama, Katyon Katkılama

Abstract:
Compared with layered LiCoO2 and LiNiO2 intercalation compounds, spinel LiMn2O4 has the advantages of naturally abundant, low cost, less toxic and facile preparation, and has attracted great attentions as an alternative positive electrode material for lithium ion batteries. However, the capacity of spinel LiMn2O4 fades rapidly on charge-dicharge cycling due to Jahn?Teller distortion and manganese dissolution into electrolyte. In the present work, a small amount of Mn ions is substituted by various dopant ions and spinel LiMn2O4 is coated with metal oxides in order to improve the cycling performance. For this purpose, metal ion doped insertion compounds LiMn2-xMxO4 (M = Al, Ni, Co, Mg, Cu, Zn ve Sr; x = 0.0 - 0.10) are prepared and spinel LiMn2O4 is coated with Li2O.2B2O3, Cr2O3, CaCO3, lithium boron silicate, Fe2O3, Cu and Au-Pd.The spinel materials are characterized by elemental analysis, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and the differential thermogravimetric analysis (TGA). The effect of the cation-substituting and surface coating on the charge-discharge cycling performance of the spinel LiMn2O4 is investigated in the range of 3.5 - 4.5 V at 1 C (148mA g-1). The electrochemical results indicate that the chemical substitution of some metal ions for Mn3+ in LiMn2O4 and the metal oxide coating lead to decrease of the initial capacity but improve the cycling performance. Li2O.2B2O3 coated LiMn2O4, Cr2O3 coated LiMn2O4, CaCO3 coated LiMn2O4, lithium boron silicate coated LiMn2O4, Fe2O3 coated LiMn2O4, Cu coated LiMn2O4 and Au-Pd coated LiMn2O4, LiMn1.90Al0.1O4 and LiMn1.95Sr0.05O4 show a low capacity loss of 0%, 4%, 1%, 1%, 7%, 5%, 3%, 3% and 3% per 30 cycles at 1 C-rate (148mA g-1) respectively, as compared to 20% for pristine LiMn2O4. This advantage make LiMn2O4 attractive particularly for lithium ion battery applications.Keywords: Lithium Ion Batteries, LiMn2O4, Metal Oxide Coating, Cation Doping