20020

۲۰۰۲۰

بهبود عملكرد باتري ليتيم-يون از طريق پوشش‌دهي ماده كاتدي تجاري LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 با ليتيم زيركونات (Li2ZrO3)

كارشناسي ارشد

استخراج فلزات

۱۳۹۴

۱۳۹۷/۲/۵

دكتر عليرضا ذاكري - دكتر شمس الدين ميردامادي

مواد و متالورژي

با اينكه ماده كاتدي لايه¬اي LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 به دليل دارا بودن ظرفيت نسبتاً بالا و برگشت پذير و همچنين هزينه و سميت پايين به عنوان ماده كاتدي اصلي براي باتري¬هاي ليتيم – يون قابل شارژ شناخته شده است، اما اين ماده كاتدي از ناپايداري سيكل كاري در سرعت¬هاي شارژ / دشارژ بالا و همچنين عملكرد ضعيف در دماهاي بالا رنج مي¬برد. روش بهبوددهي سطحي به عنوان يكي از روش¬هاي مؤثر در بهبوددهي ماده كاتدي LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 شناخته شده است. در تحقيق حاضر ماده كاتدي تجاري LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 با استفاده از روش سل – ژل در محيط آبي با ماده ليتيم زيركونات (Li2ZrO3) در مقادير 1، 3 و 5 درصد وزني پوشش¬دهي شده است و از لحاظ ساختاري و عملكرد الكتروشيميايي مورد مشخصه¬يابي قرار گرفته است. نمونه ماده كاتدي تجاري LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 با 1% وزني از ماده پوشش مطابق با نتايج حاصل از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي بالاترين ميزان يكنواختي ماده پوشش بر روي ذره ماده كاتدي و همچنين بر اساس نتايج آناليز الگوي پراش اشعه ايكس عدم تغيير ساختار كريستالي و همچنين بالاترين ميزان نظم در ساختار هگزاگونال در نمونه ماده كاتدي را نشان داد. همچنين نمونه ماده كاتدي با 1% وزني ماده پوشش بر اساس آزمون¬هاي شارژ / دشارژ در سرعت¬هاي دشارژ 0.05C، 0.1C و 0.2C به ترتيب ظرفيت¬هاي 125، 34/91 و 32/79 ميلي آمپر ساعت بر گرم را از خود نشان داد كه نسبت به ساير نمونه¬هاي مورد آزمايش بالاترين بود. همچنين بر اساس نتايج آزمون سيكل¬پذيري، ظرفيت نمونه ماده كاتدي با 1% وزني ماده پوشش 40 ميلي آمپر ساعت بر گرم بعد از 40 سيكل كاري در سرعت دشارژ 1C تعيين شد كه اين مقدار نيز نسبت به ساير نمونه-هاي مورد آزمايش بالاتر بود. همچنين براساس نتايج آزمون طيف سنجي امپدانس الكتروشيميايي ضريب نفوذ يون ليتيم در ماده كاتدي LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 با 1% وزني از ماده پوشش به ميزان زيادي افزايش پيدا كرد. در مجموع نتايج نشان داد كه لايه پوشش ليتيم زيركونات نقش مهمي را در جلوگيري از آسيب ساختاري به ماده كاتدي LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 بازي مي¬كند و آن را در طي فرآيند شارژ / دشارژ از تماس با الكتروليت محافظت مي¬نمايد.

1397/11/14

Improvement of performance Li-ion battery by coating LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 cathode material with Li2ZrO3

2/3/2019 12:00:00 AM

LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM523) as cathode material has been the main cathode material for rechargeable Li-ion batteries due to its relatively high reversible capacity, low cost and low toxicity.However it has poor cycling stability at high rate and poor performance at elevated temperatures. Surface modification has been proved to be a effective approach to improve NCM523 cathode material. In the present work, NCM523 is coated with 1wt%, 3wt% and 5wt% of Li2ZrO3 through a sol – gel method in aqueous solution and charactrised by structural and electrochemical performance analysis.The coated sample with 1wt% Li2ZrO3 according to scaning electron microscopy (SEM) images has the highest level of uniformity of coating material on NCM523 particles and according to X-ray diffraction analysis presents unchanged crystal structure and the most regular hexagonal structure for cathode material. Also 1wt% Li2ZrO3 coated sample based on the results of charge-discharge tests at 0.05C, 0.1C and 0.2C delivers capacity of 125, 91.34 and 79.32 mAhg-1 respectively which is the highest capacity than the other samples. The results of cyclability test showed that the 1wt% Li2ZrO3 coated sample delivers the capacity of 40 mAhg-1 after 40 cycles at 1C rate which is much higher than the other samples.also the results of electrochemical impedance spectroscopy test showed that the diffiusion coefficient of Li+-ion of 1wt% Li2ZrO3 coated sample has been greatly increased. Altogether, the results proved that the coating layer of Li2ZrO3 plays an important role in alleviating structural damage of NCM523 during the charge / discharge processes from electrolyte contact.