Kim, Jun-Il;Park, Sun-Min;Roh, Kwang Chul;Lee, Jae-Won
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.34
no.9
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pp.2573-2576
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2013
Rate capability and cyclability of $LiMn_2O_4$ should be improved in order to use it as a cathode material of lithium-ion batteries for hybrid-electric-vehicles (HEV). To enhance the rate capability and cyclability of $LiMn_2O_4$, it was coated with $MnV_2O_6$ by a sol-gel method. A $V_2O_5$ sol was prepared by a melt-quenching method and the $LiMn_2O_4$ coated with the sol was heat-treated to obtain the $MnV_2O_6$ coating layer. Crystal structure and morphology of the samples were examined by X-ray diffraction, SEM and TEM. The electrochemical performances, including cyclability at $60^{\circ}C$, and rate capability of the bare and the coated $LiMn_2O_4$ were measured and compared. Overall, $MnV_2O_6$ coating on $LiMn_2O_4$ improves the cyclability at high temperature and rate capability at room temperature at the cost of discharge capacity. The improvement in cyclability at high temperature and the enhanced rate capability is believed to come from the reduced contact between the electrode, and electrolyte and higher electric conductivity of the coating layer. However, a dramatic decrease in discharge capacity would make it impractical to increase the coating amount above 3 wt %.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2010.05a
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pp.37.2-37.2
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2010
Recently $Li_{1.2}Ni_{0.2}Mn_{0.6}O_2$ has been consistently examined and investigated by scientists because of its high lithium storage capacity, which exceeds beyond the conventional theoretical capacity based on conventional chemical concepts. Consequently, $Li_{1.2}Ni_{0.2}Mn_{0.6}O_2$ is considered as one of the most promising cathode candidates for next generation in Li rechargeable batteries. Yet the mechanism and the origin of the overcapacity have not been clarified. Previously, many authors have demonstrated simultaneous oxygen evolution during the first delithiation. However, it may only explain the high capacity of the first charge process, and not of the subsequent cycles. In this work, we report a clarified interpretation of the structural evolution of $Li_{1.2}Ni_{0.2}Mn_{0.6}O_2$, which is the key element in understanding its anomalously high capacity. We identify how the structural evolution of $Li_{1.2}Ni_{0.2}Mn_{0.6}O_2$ occurs upon the electrochemical cycling through careful study of electrochemical profiles, ex-situ X-ray diffraction (XRD), HR-TEM, Raman spectroscopy, and first principles calculation. Moreover, we successfully separated the structural change at subsequent cycles (mainly cation rearrangement) from the first charge process (mainly oxygen evolution with Li extraction) by intentionally synthesizing sample with large particle size. Consequently, the intermediate states of structural evolution could be well resolved. All observations made through various tools lead to the result that spinel-like cation arrangement and lithium environment are created and embedded in layered framework during repeated electrochemical cycling.
This paper deals with the recent development of high-voltage cathode materials of mono- and di- metal ions substituted spinel $LiMn_2O_4$ for lithium batteries. $LiCu_xMn_{2-x}O_4(0{\leq}x{\leq}0.5)$ shows reversible intercalation/deintercalation in two potential regions, $3.9\~43\;and\;4.8-5.0V$ and stable electrochemical cycling behavior but with low capacity. $LiNi_{0.5}Mn_{1.5}O_4$ obtained by a sol-gel process delivers a capacity of 127mAh $g^{-1}$ on the first cycle and sustains a value of 124 mAh $g^{-1}$ even after the 60th cycle. The $Li_xCr_yMn_{2-y}O_4(0{\leq}x{\leq}0.5)$ solid-solutions exhibit enhanced specific capacity, larger average voltage, and improved cycling behaviors for low Cr content. $LiCr_yMn_{2-y}O_4$ presents a reversible Li deintercalation process at 4.9V, whose capacity is proportional to the Cr content in the range of $0.25{\leq}x{\leq}0.5$ and delivers higher capacities. $LiM_yCr_{0.5-y}Mn_{1.5}O_4(M=Fe\;or\;Al)$ shows that the capacity retention is lowered compared with lithium manganate. The cumulative capacities obtainable with Al-substitutted materials are less than those with Fe-substituted materials. $LiCr_xNi_{0.5-x}Mn_{1.5}O_4(x=0.1)$ delivers a high initial capacity of 1$152mAh\;g^{-1}$ with excellent cycleability.
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2016.11a
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pp.97-97
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2016
Development of advanced Li-ion battery cells with high durability is critical for safe operation, especially in applications to electric vehicles and portable electronic devices. Understanding fundamental mechanism on the formation of a solid-electrolyte interphase (SEI) layer, which plays a substantial role in the electrochemical stability of the Li-ion battery, in a cathode was rarely reported unlike in an anode. Using first-principles density functional theory (DFT) calculations and ab-initio molecular dynamic (AIMD) simulations we demonstrate atomic-level process on the generation of the SEI layer at the interface of a carbonate-based electrolyte and a spinel $LiMn_2O_4$ cathode. To accomplish the object we calculate the energy band alignment between the work function of the cathode and frontier orbitals of the electrolyte. We figure out that a proton abstraction from the carbonate-based electrolyte is a critical step for the initiation of an SEI layer formation. Our results can provide a design concept for stable Li-ion batteries by optimizing electrolytes to form proper SEI layers.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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1999.11a
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pp.387-390
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1999
To improve the cycle performance LiM $n_2$$O_4$as the cathode of 4V class lithium secondary batteries, the cathode properties of the cubic spinel phases LiM $g_{x}$ /M $n_{2-x}$/ $O_4$ synthesized at 80$0^{\circ}C$ were examined. All cathode material showed spinel phase based on cubic phase in X-ray diffraction however. other peaks gradually exhibited and became intense with the increase of x value in LiM $g_{x}$ /M $n_{2-x}$/ $O_4$. The cycle performance of the LiM $g_{x}$ /M $n_{2-x}$/ $O_4$was improved by the substitution of $Mg^{2+}$ for M $n^{3+}$ in the octahedral sites. Specially LiM $g_{0.1}$/M $n_{1.9}$ / $O_4$cathode materials showed the charge and discharge capacity of about 130~125mAh/g at first cycle and about 105mAh/g after 50th cycle. It is excellent than that of pure LiM $n_{2}$/ $O_4$ which 125mAh/g at first cycle 70mAh/g at 50th. In addition cathode material prepared at 80$0^{\circ}C$ for 24hr and 42hr in the charge and discharge capapcity as well as the cycle stability.ility.y.y.
Spinel $LiNi_xMn_{2-x}O_4$ thin films were synthesized up to x = 0.9 by a sol-gel method employing spin-coating. The Ni-substituted films were found to maintain cubic structure at low x but to exhibit tetragonal structure for $x{\geq}0.6$. Such cubic-tetragonal phase transition indicates that $Ni^{3+}(d7)$ ions with low-spin $(t_{2g}^6,e_g^1)$ state occupy the octahedral sites of the compound, thus being subject to the Jahn-Teller distortion. By x-ray photoelectron spectroscopy both $Ni^{2+}$ and $Ni^{3+}$ ions were detected. Optical properties of the $LiNi_xMn_{2-x}O_4$ films were investigated by spectroscopic ellipsometry (SE) in the visible?ultraviolet range. The measured dielectric function spectra by SE mainly consist of broad absorption structures attributed to charge-transfer (CT) transitions, $O^{2-}(2p){\rightarrow}Mn^{4+}(3d)$ for 1.9 $(t_{2g})$ and $2.8{\sim}3.0$ eV $(e_g)$ structures and $O^{2-}(2p){\rightarrow}Mn^{3+}(3d)$ for 2.3 $(t_{2g})$ and $3.4{\sim}3.6$ eV $(e_g)$ structures. Also, sharp absorption structures were observed at about 1.6, 1.7, and 1.9 eV, interpreted as due to d-d crystal-field transitions within the octahedral $Mn^{3+}$ ion. The strengths of these absorption structures are reduced by the Ni substitution. Rapid reduction of the CT transition strength involving the eg states for x = 0.6 is attributed to the reduced wavefunction overlap between the $e_g$ and the $O^{2-}(2p)$ states due to the tetragonal extension of the lattice constant by the Jahn-Teller effect.
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.10
no.3
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pp.219-225
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2000
The spinel structured $LiMn_2O_4$was obtained by two consecutive heat treatment on xerogel; the first heat treatment was at $150^{\circ}C$ and the second at $350^{\circ}C$ was obtained by sol-gel process using an aqueous solution of lithium hydroxide and manganese acetate. The synthesized $LiMn_2O_4$ by the sol-gel process showed a discharge capacity of 88~56 mAh/g after 15 cycles in Li/lM $LiClO_4$(in PC)/$LiMn_2O_4$at a current density of 0.25 mA/$\textrm{cm}^2$ and the voltage ranged 3.5 V to 4.3 V. For the second heat treatment above $350^{\circ}C$, $Mn_2O_3$was formed as a by-product during the synthesis of $LiMn_2O_4$. The heat treatment at $500^{\circ}C$, for example, showed a lower discharge capacity 81~47 mAh/g, after the 15 charge/discharge cycles. The lower capacity was due to the increment of $Mn^{3+}$ ion and this phenomenon was in agreement with the Jahn-Teller distortion.
$LiMn_2O_4$ with mesoporous hollow sphere shape was synthesized by precipitation method with silica template. The synthesized $LiMn_2O_4$ has nanosized first particle and mesoporous hollow sphere shape. Silica template was removed by chemical etching method using NaOH solution. When the concentration of NaOH solution was increased, first particle size of manganese oxide was decrease and confirmed mesoporous hollow shpere shape. X-ray diffraction(XRD) patterns revealed that the synthesized samples has spinel structure with Fd3m space group. In case the ratio of silica and maganese salt increased, the size of first particles was decreased. The tetragoanal $LiMn_2O_4$ with micron size was synthesized at ratio of silica and manganese salt over 1 : 9. The prepared samples were assembled as cathode materials of Li-ion battery with 2032 type coin cell and their electrochemical properties are examined by charge-discharge and cyclic performance. Electrochemical measurements show that the nano-size particles had lower capacity than micron-size particles. But, cyclic performance of nano-size particles had better than that of micron-size particles.
Kamenskii, Mikhail A.;Eliseeva, Svetlana N.;Volkov, Alexey I.;Kondratiev, Veniamin V.
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.13
no.2
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pp.177-185
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2022
Electrochemical properties of LiMn2O4 cathode were investigated in three types of Zn-containing electrolytes: lithium-zinc sulfate electrolyte (1M ZnSO4 / 2M Li2SO4), zinc sulfate electrolyte (2MZnSO4) and lithium-zinc-manganese sulfate electrolyte (1MZnSO4 / 2MLi2SO4 / 0.1MMnSO4). Cyclic voltammetry measurements demonstrated that LiMn2O4 is electrochemically inactive in pure ZnSO4 electrolyte after initial oxidation. The effect of manganese (II) additive in the zinc-manganese sulfate electrolyte on the electrochemical performance was analyzed. The initial capacity of LiMn2O4 is higher in presence of MnSO4 (140 mAh g-1 in 1 M ZnSO4 / 2 M Li2SO4 / 0.1 M MnSO4 and 120 mAh g-1 in 1 M ZnSO4 / 2MLi2SO4). The capacity increase can be explained by the electrodeposition of MnOx layer on the electrode surface. Structural characterization of postmortem electrodes with use of XRD and EDX analysis confirmed that partially formed in pure ZnSO4 electrolyte Zn-containing phase leads to fast capacity fading which is probably related to blocked electroactive sites.
Spherical lithium manganese oxide spinel, $Li_{1.10}Mn_{1.86}Al_{0.02}Mg_{0.02}O_4$ was prepared by wet-milling, spray-drying, and sintering process. In the spray-drying process, solid content in slurry was varied from 20 to 30 wt%. In the sintering process, the precursors have been sintered under air or $O_2$ atmosphere. While the as-prepared samples exhibit excellent electrochemical properties at room temperature, the discharge voltage profiles at 5.0C are very different one from another. The origin for the difference especially at initial state of discharge is oxygen defect. The sample prepared in air has larger capacity related to the plateau at 3.3 V (vs. $Li/Li^+$) which is caused by the oxygen defects than the one prepared in $O_2$. The difference of discharge voltage profiles especially at the final state of discharge comes from different diffusion rate of $Li^+$ ions. The sample prepared from 30 wt% solid content of slurry shows twice higher diffusion rate than the samples prepared from 20 wt% solid content, which is attributed to better compactness between primary particles for the sample prepared from 30wt % solid content than the one prepared by 20 wt%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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