Evaluation of the effect of the synthesis method on the performance of manganese spinel as cathode material in lithium-ion batteries

Abstract

Spinel-structured lithium manganese oxide (LiMn2O4) has been successfully used as a cathode material for various lithium batteries. To improve the capacity and increase the discharge potential of the battery, transition metals are commonly added to the spinel as dopants or as a substitute for manganese. This can also confer stability on the structure of the cathode material. In this work, the production and performance of spinel LiMn2O4 (LMO) and LiN i0.5Mn1.5O4 (LNMO) by solid-state and sol-gel synthesis methods were studied. Synthetized (LMO) and (LNMO) materials were characterized by Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) to verify the formation of a spinel-like structure. It was corroborated that both synthesis methods can produce an adequate spinel structure. SEM analyses showed that in general, spinel take an octahedral form. The particle size changes according to the synthesis method used. Lower particle sizes were obtained by sol-gel. The electrochemical characterization demonstrates that solid-state synthesis generates compounds with greater purity and crystallinity, which induces a greater capacity of lithium ion intercalation. The addition of nickel to the spinel increases the discharge potential of the cathode by 0.5V.

Los óxidos de manganeso con estructura tipo espinela (LiMn2O4) han sido utilizados con éxito como materiales de cátodo para las baterías de ion-litio. Para mejorar la capacidad e incrementar el potencial de descarga de la batería, comúnmente se han adicionado metales de transición a la espinela, como dopantes o sustituyentes del manganeso. Esto puede conferirle también estabilidad a la estructura del material de cátodo. En este trabajo se evaluó la obtención y el desempeño de las espinelas deLiMn2O4 (LMO) y LiN i0.5Mn1.5O4 (LNMO) obtenidas por procesos de síntesis en estado sólido y sol-gel se estudiaron. Los materiales sinterizados de (LMO) y (LMNO) se caracterizaron por espectroscopia Raman y difracción de rayos X (DRX) para evidenciar la formación de la estructura tipo espinela. Fue corroborado que mediante ambos métodos de síntesis se puede producir una estructura de espinela adecuada. El análisis SEM mostró en general que la espinela adquiere una forma octahedral. El tamaño de partícula cambia de acuerdo al método de síntesis empleado, obteniendo un menor tamaño de partícula en la síntesis por sol-gel. La caracterización electroquímica demuestra que la síntesis por estado sólido genera componentes con mayor pureza y cristalinidad, los cuales generan una mayor capacidad de intercalación de iones litio. La adición de níquel a la espinela incrementa el potencial de descarga del cátodo en 0.5V.