Preparation and characterization of nanostructured cathode materials LiMn2-xNixO4-ySy for high capacity lithium batteries.

Rynek akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion) rozwija się obecnie bardzo prężnie, głównie dzięki zastosowaniu ich w urządzeniach mobilnych. Akumulatory Li-ion, charakteryzują się wysoką gęstością energii, pojemnością i potencjałem pracy. Nie wykazują efektu pamięci, mają bardzo dobrą powtarzalność cykliczną i niewielkie samorozładowanie. Wśród materiałów katodowych badanych pod kątem wykorzystania w akumulatorach Li-ion, jednym z najbardziej atrakcyjnych, jest spinel LiMn2O4, gdzie atomy manganu są częściowo podstawione jonami niklu lub innymi metalami przejściowymi i/lub domieszkowane niemetalami m.in siarą. Udowodniono, że elektrody powstałe z tych materiałów wykazują większą pojemność, napięcie oraz znaczną poprawę żywotności w porównaniu z katodą LiMn2O4. Celem pracy było zsyntezowanie materiałów katodowych LiMn2-xNixO4-ySy (gdzie 0 ≤ x ≤ 0,5, y = 0,01 lub 0,05) metodą zol-żel. Otrzymane układy zbadano stosując następujące metody: XRD, TG, DTG, EGA-QMS, DSC, N2-BET, EC. Z uzyskanych materiałów złożono ogniwa i przeprowadzono na nich pomiary elektrochemiczne (CELL TEST, EIS). Dowiedziono, że domieszkowanie niklem i siarką minimalizuję przemianę fazową i poprawia stabilność strukturalną spineli.

The market of lithium-ion batteries (Li-Ion) is growing very rapidly, mostly thanks to the application in mobile devices. Li-ion batteries are characterized by the high: energy density, capacity and potential. They don’t show memory effect. Also they have good repeatability to charge/discharge cycles and low self-discharge. Among the cathode materials, which are tested for use in Li-ion batteries, one of the most attractive is spinel LiMn2O4, where the manganese atoms are partially substituted by nickel ions or other transition metals and/or co-doped by non-metals like sulfur. It has been proven that the electrodes which are based on these materials have a greater capacity and voltage. Moreover, they can be characterized by high voltage and they show longer cycle life and better capacity maintenance as compared with LiMn2O4 cathode. The aim of the work was to synthesize by a sol-gel method, cathode materials: LiMn2-xNixO4-ySy (where 0≤x≤0.5, y = 0.01 or 0.05). The spinels were examined using the following test methods: XRD, TG, DTG, EGA-QMS, DSC, N2-BET, EC. The obtained materials were used to cells assembling Li/Li+/LiMn2-xNixO4-ySy and next electrochemically tested (CELL TEST, EIS). It was found that nickel and sulfur doping suppress the phase transition and improve it structural stability.