Li₄SiO₄-coated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ as the high performance cathode materials for lithium-ion batteries

Abstract

The preparation of Li₄SiO₄-coated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ materials by sintering the SiO₂-coated nickel-manganese oxides with lithium salts using abundant and low-cost sodium silicate as the silicon source was reported. The samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. It was found that a uniform and complete SiO₂ coating layer could be obtained at a suitable pH value of 10, which transformed to a good Li₄SiO₄ coating layer afterwards. When used as the cathode materials for lithium-ion batteries, the Li₄SiO₄-coated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ samples deliver a better electrochemical performance in terms of the discharge capacity, rate capability, and cycling stability than that of the pristine material. It can still deliver 111.1 mAh/g at 20 C after 300 cycles, with a retention ratio of 93.1% of the stable capacity, which is far beyond that of the pristine material (101.3 mAh/g, 85.6%).

Key words： lithium-ion batteries; cathode material; LiNi_0.5Mn_1.5O₄; lithium-ion conductor; coating

Acknowledgements

This work was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2013AA050901).

References

1 Hai B, Shukla  A K, Duncan  H, Chen G Y . The effect of particle surface facets on the kinetic properties of LiMn_1.5Ni_0.5O₄ cathode materials. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2013, 1(3): 759–769 

2 Patoux S, Daniel  L, Bourbon C ,  Lignier H ,  Pagano C ,  Le Cras F ,  Jouanneau S ,  Martinet S . High voltage spinel oxides for Li-ion batteries from the material research to the application. Journal of Power Sources, 2009, 189(1): 344–352

3 Ma J, Hu  P, Cui G ,  Chen L. Surface and interface issues in spinel LiMn_1.5Ni_0.5O₄: insights into a potential cathode material for high energy density lithium ion batteries. Chemistry of Materials, 2016, 28(11): 3578–3606

4 Kim J H, Pieczonka  N P, Yang  L. Challenges and approaches for high-voltage spinel lithium-ion batteries. ChemPhysChem, 2014, 15(10): 1940–1954

5 Pieczonka N P W ,  Liu Z Y ,  Lu P, Olson  K L, Moote  J, Powell B P ,  Kim J H . Understanding transition-metal dissolution behavior in LiMn_1.5Ni_0.5O₄ high-voltage spinel for lithium ion batteries. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(31): 15947–15957

6 Kim J H, Pieczonka  N P W, Li  Z, Wu Y ,  Harris S ,  Powell B R . Understanding the capacity fading mechanism in LiNi_0.5Mn_1.5O₄/graphite Li-ion batteries. Electrochimica Acta, 2013, 90: 556–562 

7 Lee Y, Mun  J, Kim D W ,  Lee J K ,  Choi W. Surface modification of LiNi_0.5Mn_1.5O₄ cathodes with ZnAl₂O₄ by a sol-gel method for lithium ion batteries. Electrochimica Acta, 2014, 115: 326–331 

8 Kunduraci M, Amatucci  G G. Effect of oxygen non-stoichiometry and temperature on cation ordering in LiMn_2-xNi_xO₄ (0.50≥x≥0.36) spinels. Journal of Power Sources, 2007, 165(1): 359–367

9 Deng J C, Xu  Y L, Li  L, Feng T Y ,  Li L. Microporous LiAlSiO₄ with high ionic conductivity working as a coating material and water adsorbent for LiNi_0.5Mn_1.5O₄cathode. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2016, 4(17): 6561–6568

10 Zhong G B, Wang  Y Y, Yu  Y Q, Chen  C H. Electrochemical investigations of the LiNi_0.45M_0.10Mn_1.45O₄ (M=Fe,Co,Cr) 5V cathode materials for lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 2012, 205: 385–393

11 Sun P, Ma  Y, Zhai T ,  Li H. High performance LiNi_0.5Mn_1.5O₄ cathode by Al-coating and Al³⁺-doping through a physical vapor deposition method. Electrochimica Acta, 2016, 191: 237–246 

12 Wang Y, Yang  G, Yang Z ,  Zhang L ,  Fu M, Long  H, Li Z ,  Huang Y ,  Lu P. High power and capacity of LiNi_0.5Mn_1.5O₄ thin films cathodes prepared by pulsed laser deposition. Electrochimica Acta, 2013, 102: 416–422 

13 Chen Z X, Qiu  S, Cao Y L ,  Ai X P ,  Xie K, Hong  X B, Yang  H X. Surface-oriented and nanoflake-stacked LiNi_0.5Mn_1.5O₄ spinel for high-rate and long-cycle-life lithium ion batteries. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(34): 17768–17772 

14 Choi S H, Hong  Y J, Kang  Y C. Yolk-shelled cathode materials with extremely high electrochemical performances prepared by spray pyrolysis. Nanoscale, 2013, 5(17): 7867–7871

15 Tu W Q, Xing  L D, Xia  P, Xu M Q ,  Liao Y H ,  Li W S . Dimethylacetamide as a film-forming additive for improving the cyclic stability of high voltage lithium-rich cathode at room and elevated temperature. Electrochimica Acta, 2016, 204: 192–198

16 Zhang L, Zhang  Z C, Wu  H M, Amine  K. Novel redox shuttle additive for high-voltage cathode materials. Energy & Environmental Science, 2011, 4(8): 2858–2862 

17 Liu J, Manthiram  A. Improved electrochemical performance of the 5V spinel cathode LiMn_1.5Ni_0.42Zn_0.08O₄ by surface modification. Journal of the Electrochemical Society, 2009, 156(1): A66–A72

18 Noguchi T, Yamazaki  I, Numata T ,  Shirakata M . Effect of Bi oxide surface treatment on 5 spinel LiNi_0.5Mn_1.5-xTi_xO₄. Journal of Power Sources, 2007, 174(2): 359–365

19 Zhao G Y, Lin  Y B, Zhou  T, Lin Y ,  Huang Y D ,  Huang Z G . Enhanced rate and high-temperature performance of La_0.7Sr_0.3MnO₃-coated LiNi_0.5Mn_1.5O₄ cathode materials for lithium ion battery. Journal of Power Sources, 2012, 215: 63–68 

20 Qiao Z, Sha  O, Tang Z Y ,  Yan J, Wang  S L, Liu  H B, Xu  Q, Su Y J . Surface modification of LiNi_0.5Mn_1.5O₄ by LiCoO₂/Co₃O₄ composite for lithium-ion batteries. Materials Letters, 2012, 87: 176–179 

21 Liu D, Trottier  J, Charest P ,  Fréchette J ,  Guerfi A ,  Mauger A ,  Julien C M ,  Zaghib K . Effect of nano LiFePO₄ coating on LiNi_0.5Mn_1.5O₄ 5 V cathode for lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 2012, 204: 127–132 

22 Sachs M, Gellert  M, Chen M ,  Drescher H J ,  Kachel S R ,  Zhou H, Zugermeier  M, Gorgoi M ,  Roling B ,  Gottfried J M . LiNi_0.5Mn_1.5O₄ high-voltage cathode coated with Li₄Ti₅O₁₂: a hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) study. Physical Chemistry Chemical Physics, 2015, 17(47): 31790–31800 

23 Zhang Q, Jiang  W, Zhou Z ,  Wang S, Guo  X, Zhao S ,  Ma G. Enhanced electrochemical performance of Li₄SiO₄–coated LiFePO₄ prepared by sol–gel method and microwave heating. Solid State Ionics, 2012, 218: 31–34

24 Chatterjee S, Maiti  R, Saha S K ,  Chakravorty D . Fast ion conduction in nanodimensional lithium silicate glasses. Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(1): 431–436

25 Xu M Q, Lian  Q W, Wu  Y X, Ma  C, Tan P F ,  Xia Q B ,  Zhang J F ,  Ivey D G ,  Wei W F . Li⁺-conductive Li₂SiO₃ stabilized Li-rich layered oxide with an in situ formed spinel nano-coating layer: toward enhanced electrochemical performance for lithium-ion batteries. RSC Advances, 2016, 6(41): 34245–34253

26 Feng X Y, Shen  C, Fang X ,  Chen C H . Synthesis of LiNi_0.5Mn_1.5O₄ by solid-state reaction with improved electrochemical performance. Journal of Alloys and Compounds, 2011, 509(8): 3623–3626 

27 Xu Y H, Feng  Q, Kajiyoshi K ,  Yanagisawa K . Hydrothermal intercalation reaction of nickel hydroxide into layered manganese oxides. Chemistry of Materials, 2002, 14(2): 697–703

28 Ding B J, Fan  L W, Lin  Z Y, Wu  Z G, Lv  D, Lu Z X . Preparation of magnetic core–shell Fe₃O₄@SiO₂ and its characterization. Synthetic Materials Aging and Application, 2015, 4: 44–47

29 Hong R Y, Qian  J Z, Miao  C C, Li  H Z. Synthesis and surface modification of ZnO nanoparticles. Speciality Petrochemicals, 2005, 2: 1–4

30 Wang H Z, Nakamura  H, Yao K ,  Uehara M ,  Nishimura S ,  Maeda H ,  Abe E. Effect of polyelectrolyte dispersants on the preparation of silica–coated zinc oxide particles in aqueous media. Journal of the American Ceramic Society, 2002, 85(8): 1937–1940

31 Cui A L, Wang  T J, Jin  Y. TiO₂ particle coating and structure analysis of surface coated with SiO₂ and Al₂O₃. Engineering Chemistry & Metallugry, 1999, 20(2): 178–181

32 Li J X, Liu  S, Luo F H . Methods and mechanism of inorganically coating nanometer TiO₂. China Cermic Industry, 2005, 12(1): 40–44

33 Zou J, Gao  J C, Wang  Y, Li Y D ,  Wen M. Trial study on nanosize TiO₂ coated by dense SiO₂ film. Journal of Materials Science & Engineering, 2004, 22(1): 71–73

34 Zhang G D, Guan  Y P, Shan  G B, Tao  A Z, Liu  H Z. Surface modification of Fe₃O₄ nano particles and its applications in preparation of magnetic alumina catalyst supports. Chinese Journal of Process Engineering, 2002, 2(4): 319–324

35 Rimer J D, Lobo  R F, Vlachos  D G. Physical basis for the formation and stability of silica nanoparticles in basic solutions of monovalent cations. Langmuir, 2005, 21(19): 8960–8971 

36 Wang H L, Tan  T A, Yang  P, Lai M O ,  Lu L. High-rate performances of the Ru-doped spinel LiNi_0.5Mn_1.5O₄: effects of doping and particle size. Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(13): 6102–6110

37 Yang S, Chen  J, Liu Y ,  Yi B. Preparing LiNi_0.5Mn_1.5O₄ nanoplates with superior properties in lithium-ion batteries using bimetal-organic coordination-polymers as precursors. Journal of Materials Chemistry A, Materials for Energy and Sustainability, 2014, 2(24): 9322–9330 

38 Zhuang Q C, Xu  S D, Qiu  X Y, Cui  Y L, Fang  L, Sun S . Diagnosis of electrochemical impedance spectroscopy in lithium ion batteries. Progressin Chemistry, 2010, 22(6): 1044–1057