Facile synthesis and electrochemical properties of layered Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂ as cathode materials for lithium-ion batteries

Abstract

A layered oxide Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂ was synthesized by an oxalate co-precipitation method. The morphology, structural and composition of the as-papered samples synthesized at different calcination temperatures were investigated. The results indicate that calcination temperature of the sample at 850°C can improve the integrity of structural significantly. The effect of calcination temperature varying from 750°C to 950°C on the electrochemical performance of Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂, cathode material of lithium-ion batteries, has been investigated. The results show that Li[Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3]O₂ calcined at 850°C possesses a higher capacity retention and better rate capability than other samples. The reversible capacity is up to 178.6 mA·h·g⁻¹, and the discharge capacity still remains 176.3 mA·h·g⁻¹ after 30 cycles. Moreover, our strategy provides a simple and highly versatile route in fabricating cathode materials for lithium-ion batteries.

Keywords

Li[Mn _1/3Ni _1/3Co _1/3]O ₂ / cathode material / oxalate co-precipitation / lithium-ion battery

References

[1] Rao C V, Reddy  A L M, Ishikawa  Y, . LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂-graphene composite as a promising cathode for lithium-ion batteries. ACS Applied Materials & Interfaces, 2011, 3(8): 2966–2972

[2] Tan S, Wang  L, Bian L , . Highly enhanced low temperature discharge capacity of LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ with lithium boron oxide glass modification. Journal of Power Sources, 2015, 277: 139–146

[3] Hashem A M A ,  Abdel-Ghany A E ,  Eid A E , . Study of the surface modification of LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ cathode material for lithium ion battery. Journal of Power Sources, 2011, 196(20): 8632–8637

[4] Cuisinier M, Dupré  N, Martin J F , . Evolution of the LiFePO₄ positive electrode interface along cycling monitored by MAS NMR. Journal of Power Sources, 2013, 224: 50–58

[5] Shaju K M, Rao  G V S, Chowdari  B V R. Performance of layered Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂ as cathode for Li-ion batteries. Electrochimica Acta, 2002, 48(2): 145–151

[6] Lu Z H, Macneil  D D, Dahn  J R. Layered cathode materials Li[Ni_xLi_(1/3−2x/3)Mn_(2/3−x/3)]O₂ for lithium-ion batteries. Electrochemical and Solid-State Letters, 2001, 4(11): A191–A194

[7] Belharouak I, Sun  Y K, Liu  J, . Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂ as a suitable cathode for high power applications. Journal of Power Sources, 2003, 123(2): 247–252

[8] Park S, Yoon  C, Kang S , . Synthesis and structural characterization of layered Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂ cathode materials by ultrasonic spray pyrolysis method. Electrochimica Acta, 2004, 49(4): 557–563

[9] Yang Y, Xu  S, Xie M , . Growth mechanisms for spherical mixed hydroxide agglomerates prepared by co-precipitation method: A case of Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3(OH)₂. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 619: 846–853 

[10] Wang Z, Sun  Y, Chen L , . Electrochemical characterization of positive electrode material Li(Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3)O₂ and compati-bility with electrolyte for lithium-ion batteries. Journal of the Electrochemical Society, 2004, 151(6): A914–A921

[11] Yoon W S, Balasubramanian  M, Yang X Q , . Soft X-ray absorption spectroscopic study of a LiNi_0.5Mn_0.5O₂ cathode during charge. Journal of the Electrochemical Society, 2004, 151(2): A246–A251

[12] Myung S T, Lee  M H, Komaba  S, . Hydrothermal synthesis of layered Li[Ni_1/3Co_1/3Mn_1/3]O₂ as positive electrode material for lithium secondary battery. Electrochimica Acta, 2005, 50(24): 4800–4806

[13] Liu L, Jiao  L, Sun J , . Electrochemical performance of LiV_3−2xNi_xMn_xO₈ cathode materials synthesized by the sol–gel method. Solid State Ionics, 2008, 178(33–34): 1756–1761

[14] Liu Z M, Hu  G R, Peng  Z D, . Synthesis and characterization of layered Li(Ni_1/3Mn_1/3Co_1/3)O₂ cathode materials by spray-drying method. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2007, 17(2): 291–295

[15] Lu Z, Macneil  D D, Dahn  J R. Layered cathode materials Li [Ni_xLi_(1/3−2x/3)Mn_(2/3−x/3)]O₂ for lithium-ion batteries. Electrochemical and Solid-State Letters, 2004, 7(12): A503–A506

[16] Macneil D D, Lu  Z H, Dahn  J R. Structure and electrochemistry of Li[Ni_xCo_1−2xMn_x]O₂ (0<x<1/2). Electrochemical and Solid-State Letters, 2002, 149(10): A1332–A1336

[17] Cho T H, Shiosaki  Y, Noguchi H . Preparation and characterization of layered LiMn_1/3Ni_1/3Co_1/3O₂ as a cathode material by an oxalate co-precipitation method. Journal of Power Sources, 2006, 159(2): 1322–1327

[18] Gao J, Manthiram  A. Eliminating the irreversible capacity loss of high capacity layered Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂ cathode by blending with other lithium insertion hosts. Journal of Power Sources, 2009, 191(2): 644–647

[19] Gao Y, Yakovleva  M V, Ebner  W B. Novel Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂ compounds as cathode materials for safer lithium-ion batteries. Electrochemical Society, 1998, 1(3): 117–119

[20] Dahn J R. Structure and electrochemistry of Li_1±yNiO₂ and a new Li₂NiO₂ phase with the Ni(OH)₂ structure. Solid State Ionics, 1990, 44(1–2): 87–97

[21] Ohzuku T, Ueda  A, Nagayama M . Electrochemistry and structural chemistry of LiNiO₂ (R 3¯ m) for 4 volt secondary lithium cells. Journal of the Electrochemical Society, 1993, 140(7): 1862–1870

[22] Li W, Reimers  J N, Dahn  J R. In situ x-ray diffraction and electrochemical studies of Li_1−xNiO₂. Solid State Ionics, 1993, 67(1–2): 123–130

[23] Liu L, Zhang  N, Sun K , . High rate performance of Li[Ni_1/3 Co_1/3Mn_1/3]O₂ synthesized via co-precipitation method by different precipitators. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2009, 70(3–4): 727–731

[24] Reimers J N, Dahn  J R, Greedan  J E, . Spin glass behavior in the frustrated antiferromagnetic LiNiO₂. Journal of Solid State Chemistry, 1993, 102(2): 542–552

[25] Zheng J M, Li  J, Zhang Z R , . The effects of TiO₂ coating on the electrochemical performance of Li[Li_0.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13]O₂ cathode material for lithium-ion battery. Solid State Ionics, 2008, 179(27–32): 1794–1799

[26] Guo R, Shi  P, Cheng X , . Effect of ZnO modification on the performance of LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂ cathode material. Electrochimica Acta, 2009, 54(24): 5796–5803

[27] Manikandan P, Periasamy  P. Novel mixed hydroxy-carbonate precursor assisted synthetic technique for LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂ cathode materials. Materials Research Bulletin, 2014, 50: 132–140

[28] Song D, Wang  X, Zhou E , . Recovery and heat treatment of the LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ cathode scrap material for lithium ion battery. Journal of Power Sources, 2013, 232: 348–352

[29] Sa Q, Gratz  E, He M , . Synthesis of high performance LiNi_1/3 Co_1/3Mn_1/3O₂ from lithium ion battery recovery stream. Journal of Power Sources, 2015, 282: 140–145

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg