Study on electrochemical properties of nanostructured LiMn2-xNixO4-ySy cathode materials for high voltage Li-ion batteries.

Obiecujące elektrochemiczne właściwości oraz niski koszt spinelu litowo-manganowego przyczyniają się do zainteresowania tym materiałem w wysokonapięciowych ogniwach Li-ion. Jednak z uwagi na niestabilność strukturalną w temperaturze pracy ogniwa jego komercjalizacja została ograniczona. Jednym z rozwiązań umożliwiającym polepszenie jego parametrów elektrochemicznych jest wprowadzanie do struktury niklu oraz siarki. Zarówno podstawienie niklem jak i siarką prowadzi do zminimalizowania przejścia fazowego i stabilizacji struktury spinelu. Obie te modyfikacje mogą również zmniejszać rozpuszczalność manganu, zwiększać ekstrakcję jonów Li oraz redukować efekt Jahna-Tellera. Syntezę spineli LiMn2-xNixO4-ySy (0<x≤0,02, 0<y≤0,02) przeprowadzono metodą zol-żel, a następnie kalcynowano w powietrzu w temperaturze 300 i 650°C i poddano badaniom dyfraktometrii rentgenowskiej (XRD) oraz pomiarom przewodnictwa elektrycznego (EC). Dodatkowo materiał uzyskany na drodze kalcynacji w 650°C badano metodą skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC), która potwierdziła stabilizację struktury materiałów spinelowych. Po przeprowadzeniu analizy właściwości fizykochemicznych, otrzymane materiały wykorzystano do montażu ogniw, które następnie poddano badaniom spektroskopii impedancyjnej (EIS) oraz testom ładowania/rozładowania (CELL TEST).

Lithium-Manganese based spinels exhibit promising electrochemical properties and have low production costs which make these materials extremely interesting for application in high voltage cells such as Li-ion type. Unfortunately due to lack of their structural stability during work time the cells commercialization was narrowed-down. Introduction of nickel and sulfur to the structure of spinel is one of the solution to improve its electrochemical parameters. Nickel introduction to the spinel structure as well as sulfur results in suppressing of phase transition and improvement of spinel structure stabilization. Both mentioned modifications can lead to decrease of manganese solubility, increase of Li-ion extraction and reduction of Jahn-Teller effect. Synthesis of LiMn2-xNixO4-ySy spinels (0<x≤0.02, 0<y≤0.02) was conducted with application of sol-gel method and followed by calcinations at 300°C and 650°C in air. After first two steps, obtained spinels were examined via X-ray diffraction spectroscopy (XRD) and electrical conductivity studies (EC). Additionally spinels obtained via calcination in 650°C were tested with application of differential scanning calorimetry (DSC) which proved stabilization of spinel-based materials. After analysis of physicochemical properties, obtained materials were applied to cells assembling which were then tested using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and charge/discharge test (CELL TEST).