The structural and electrochemical properties of $Li_{0.99}Ni_{0.46}Mn_{1.56}O_4$ ($Fd{\bar{3}}m$, disordered spinel) cathode material were studied and compared with stoichiometric $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ ($P4_332$, ordered spinel). First cycle discharge capacity of $Li_{0.99}Ni_{0.46}Mn_{1.56}O_4$ was similar to that of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ at C/3 and 1C rate, but cycling performance of $Li_{0.99}Ni_{0.46}Mn_{1.56}O_4$ was better than that of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ especially at high rate of 1C. This can be explained by performing synchrotron based in-situ XRD and results of GITT measurements. It is considered that faster lithium ion diffusion in the $Li_{0.99}Ni_{0.46}Mn_{1.56}O_4$ cathode results in the improvement of the rate capability. To study structural changes during cycling, synchrotron in-situ XRD patterns of both the samples were recorded at C/3 and 1C rate. Compared to stoichiometric $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$, disordered $Li_{0.99}Ni_{0.46}Mn_{1.56}O_4$ spinel sample has pseudo one phase behavior and one step phase transition between two cubic phases. So, $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ would experience a much greater strain and stress, originating from the two phase transitions between three cubic phases and suffer from capacity loss during cycling especially at high rate.
Park, Sung-Bin;Kim, Yool-Koo;Lee, Wan-Gyu;Cho, Won-Il;Jang, Ho
Korean Journal of Metals and Materials
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v.46
no.3
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pp.174-181
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2008
The stability of the cathode materials for Li secondary battery is an important factor for its cyclability. The present paper focuses on the structural stability of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ during lithiation/delithiation of Li ions and compared to that of $LiMn_{2}O_4$. $LiMn_{2}O_4$ and $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ powders are synthesized using a solgel method and their structural and electrochemical properties are investigated by XRD, SEM, and charge-discharge tests. $Li_xMn_2O_4$ and $Li_xNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$(x = 0.9,0.5,0.1) specimens are obtained after charge/discharge tests by controlling the cut-off voltage for XRD and TEM investigation. The charge-discharge tests shows that initial capacity of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ is 125 mAh/g and that of LiMn2O4 is around 100 mAh/g. The capacity of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ is maintained 95% of its initial capacity whereas the capacity of $LiMn_{2}O_4$ is maintained 65% of its initial capacity.
Sin, Jae-Ho;Kim, Jin-Ho;Hwang, Hae-Jin;Kim, Ung-Soo;Cho, Woo-Seok
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.22
no.4
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pp.194-199
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2012
The $LiMn_{1.5}Ni_{0.5}O_4$, substituting a part of Mn with Ni in the $LiMn_2O_4$, the spinel structure has good charge-discharge cycle stability and high discharge capacity at 4.7 V. In this study $LiMn_{1.5}Ni_{0.5}O_4$ powders were synthesized by polymerization complex method. The effect on the characteristics of synthesized $LiMn_{1.5}Ni_{0.5}O_4$ powders was studied with citric acid (CA) : metal ion (ME) molar ratio (5 : 1, 10 : 1, 15 : 1, 30 : 1) and calcination temperature ($500{\sim}900^{\circ}C$). Single phase of $LiMn_{1.5}Ni_{0.5}O_4$ was observed from XRD analysis on the powders calcined at low ($500^{\circ}C$) and high temperatures ($900^{\circ}C$). The crystalline size and crystallinity increased with calcination temperature. At low calcination temperature the particle size decreased and specific surface area increased as the CA molar ratio increased. On the other hand, high particle growth rate at high calcination temperature interfered the particle size reduction and specific surface area increase induced by the increase of CA molar ratio.
Recently, many researches on the high-voltage 5 V class cathode material have focused on $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$, where $Mn^{3+}$ in the existing $LiMn_2O_4 (Li[Mn^{3+}][Mn^{4+}]O_4)$ is replaced by $Ni^{2+}(Li[Ni^{2+}]_{0.5}[Mn^{4+}]_{1.5}O_4)$ in order to utilize $Ni^{2+}/Ni^{4+}$ redox reaction in the 5V region. The partial substitution of Mn in $LiMn_2O_4$ for other transition metal element, $LiM_yMn_{1-y}O_4$(M=Cr, Al, Ni, Fe, Co, Cu, Ga etc) is known as a good solution to overcome the problems associated with $LiMn_2O_4$ like the gradual capacity fading. In this study, we synthesized $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ through a mechanochemical process and investigated its morphological, crystallographic and electrochemical characteristics. The results showed that 4 V peaks had been found in the cyclic volammograms of the synthesized powders due to the existence of $Mn^{3+}$ from the incomplete substitution of $Ni^{2+}$ for $Mn^{3+}$ implying that the mechanochemical activation alone was not good enough to synthesize an exact stoichiometric compound of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$. The synthetic condition of mechanochemical process, such as type of starting materials, ball-mill and calcination condition was optimized for the best electrochemical performance.
Spinel $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ has received great attention as one of the most outstanding cathode materials for Li-ion batteries (LIBs) because of its high energy density resulting from the operating voltage of ~ 4.7 V (vs. $Li^+/Li$) based on the $Ni^{2+}/Ni^{4+}$ redox reaction. However, $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ is known to suffer from undesirable side reactions with the electrolyte at high voltage as well as Mn dissolution from the structure. These issues prevent the realization of the optimal electrochemical performance of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$. Extensive research has been conducted to overcome these issues. This review presents an overview of the various surface-modification methods available to improve the electrochemical properties of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ and provides perspectives on further research aimed at the application of $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ as a cathode material in commercialized LIBs.
Proceedings of the Korea Crystallographic Association Conference
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2002.11a
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pp.16-16
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2002
The presently commercialized lithium-ion batteries use layer structured LiCoO₂ cathodes. Because of the high cost and toxicity of cobalt, an intensive search for new cathode materials has been underway in recent years. Recently, a concept of a one-to-one solid state mixture of LiNO₂ and LiMnO₂, i.e., Li[Ni/sub 0.5/Mn/sub 0.5/]O₂, was adopted by Ohzuku and Makimura to overcome the disadvantage of LiNiO₂ and LiMnO₂. Li[Ni/sub 0.5/Mn/sub 0.5/]O₂ has the -NaFeO₂ structure, which is characteristic of the layered LiCoO₂ and LiNiO₂ structures and shows excellent cycleability with no indication of spinel formation during electrochemical cycling. Layered Li[Ni/sub x/Co/sub 1-2x/Mn/sub x/]O₂ (x = 0.5 and 0.475) materials with high homogeneity and crystallinity were synthesized using a mechanical alloying method. The Li[Ni/sub 0.475/Co/sub 0.05/Mn/sub 0.475/]O₂ electrode delivers a high discharge capacity of 187 mAh/g between 2.8 and 4.6 V at a high current density of 0.3 mA/㎠(30 mA/g) with excellent cycleability. The charge/discharge and differential capacity vs. voltage studies of the Li[Ni/sub x/Co/sub 1-2x/Mn/sub x/]O₂ (x = 0.5 and 0.475) materials showed only one redox peak up to 50 cycles, which indicates that structural phase transitions are not occurred during electrochemical cycling. The magnitude of the diffusion coefficients of lithium ions for Li[Ni/sub x/Co/sub 1-2x/Mn/sub x/]O₂(x = 0.5 and 0.475) are around 10/sup -9/ ㎠/s measured by the galvanostatic intermittent titration technique (GITT).
The cathode material, $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$, for high voltage applications of Li-ion batteries exhibits impurity phases due to oxygen deficiency during the high temperature heat treatment. The impurity phase reduces the electrochemical properties of the electrode since the deficiency spinel structure disturbs the lithium ion intercalation and deintercalation. In this study, Cr-substituted $LiNi_{0.5-x}Mn_{1.5}Cr_xO_4(0{\leq}x{\leq}0.05)$ powders are synthesized by a sol-gel method in order to reduce the amount of the impurity phases in the $LiNi_{0.5-x}Mn_{1.5}Cr_xO_4$. Thermal analysis of the cathode material shows that the $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ without Cr substitution looses $2\%$ of its weight due to oxygen deficiency but the amount of weight loss is diminished when Cr is substituted. XRD analysis also supports the reduction of the impurity phases in the cathode after chromium substitution, suggesting that the improvement of the electrochemical properties such as the capacity retention and electrochemical stability are attributed to the low content of impurity phases in the Cr-substituted $LiNi_{0.5-x}Mn_{1.5}Cr_xO_4.$
As cathode materials of LiMn2O4-based lithium-ion secondary batteries, Li(Mn1-$\delta$M$\delta$)2O4 (M=Ni and Co, $\delta$=0, 0.05, 0.1 and 0.2) materials which Co and Ni are substituted for Mn, were syntehsized by the solid state reaction at 80$0^{\circ}C$ for 48 hours. No second phases were formed in Li(Mn1-$\delta$M$\delta$)2O4 system with substitution of Co. However, substitution of Ni caued to form a second phase of NiO when its composition exceeded over 0.2 of $\delta$ in Li(Mn1-$\delta$M$\delta$)2O4. As the results of charging-discharging test, the maximum capacity of Li(Mn1-$\delta$M$\delta$)2O4 appeared in $\delta$=0.1 for both Co and Ni. Also, Li(Mn1-$\delta$M$\delta$)2O4 electrode showed higher capacity and better cycle performance than LiMn2O4.
$LiNi_{0.5-x}Co_{2x}Mn_{0.5-x}O_{2}$ (x = 0, 0.1, 1/6, 1.2, 0.3) were synthesized by the solid-state reaction method. The crystal structure was analyzed by X-ray powder diffraction and Rietveld refinement. $LiNi_{0.5-x}Co_{2x}Mn_{0.5-x}O_{2}$ samples give single phases of hexagonal layered structures with a space group of R-3m for x = 0.1, 1/6, 0.2, and 0.3. The lattice constants of a and c-axis were decreased with the increase in Co contents in samples. The thickness of MO2 slab was decreased and inter-slab distance was increased with the increase in Co contents in $LiNi_{0.5-x}Co_{2x}Mn_{0.5-x}O_{2}$. According to XPS analysis, the valence states of Mn, Co, and Ni in the sample are mainly +4, +3, and +3, respectively. The discharge capacity of 202 mAh/g at 0.1C-rate in the potential range of 4.7 - 3.0 V was obtained in $LiNi_{0.3}Co_{0.4}Mn_{0.3}O_2$ sample, and $LiNi_{0.4}Co_{0.2}Mn_{0.4}O_2$ gives excellent cycle performance in the same potential range.
Cut-off 전압 변화에 따른 충방전 특성을 알아보기 위하여 Mn을 다른 전이 금속이 Co와 Ni로 소량 치환시킨 Li(M $n_{1-{\delta}}$$n_{\delta}$)$_2$$O_4$(M=Ni, Co, $\delta$=0, 0.05, 0.1, 0.2)를 고상 반응법으로 80$0^{\circ}C$에서 48시간 동안 유지하여 합성하였다. 충방전의 cut-off 전압은 2.5~4.4V, 3.0~4.5V, 3.5~4.5V, 3.5V~4.7V의 네 가지 전압범위고 하였다. 충방전 실험결과, Li(M $n_{1-{\delta}}$$n_{\delta}$)$_2$$O_4$의 용량은 각각 Co와 Ni의 $\delta$=0.1에서 최대를 보였다. Co 치환 조성 재료와 순물질 모두에서 최대의 용량을 보인 cut-off 전압대는 3.5~4.5V 이었는데 이때의 Li(M $n_{0.9}$$Co_{0.1}$)$_2$$O_4$와 LiM $n_2$$O_4$의 초기 충전용량과 초기 방전용량은 각각 118, 119mAh/g과 114, 104mAh/g 이었다. 또한 모든 cut-off 전압대에서 Li(M $n_{0.9}$$Co_{0.1}$)$_2$$O_4$는 순수한 LiM $n_2$$O_4$보다 더 높은 용량과 우수한 싸이클 성능을 보였으며 그 결과는 밀착형 전지구성에서도 일치하였다.하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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