近年来, 日益加剧的能源危机和环境恶化问题, 迫使人类社会付出巨大努力开发环境友好的储能器件^[1,2,3]。与铅酸、镍镉等电池相比, 锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点, 已被广泛应用于便携式电子设备和电动工具市场^[4]。然而, 目前商用锂离子电池负极材料主要是石墨, 理论比容量仅为372 mAh/g, 无法满足人类对大规模储能系统的要求^[5,6]。因此, 探寻新型锂离子电池负极材料对提高电池性能有重大的理论意义和经济价值。

许多过渡金属化合物都具有绿色环保、易回收、成本低廉、比容量高等特性^[7,8,9], 已被广泛用作锂离子电池负极材料^[10]。单一金属氧化物的导电率普遍较低, 在脱嵌锂过程中由于体积膨胀和结构塌陷易导致容量严重衰减, 阻碍其商业应用^[11,12]。而多组分金属氧化物如CoMn₂O₄^[13]、ZnMn₂O₄^[14]、NiCo₂O₄^[15], 通过两种不同金属的协同作用可以缓解循环过程中的体积膨胀, 具有比单组分金属氧化物更好的电化学性能。

众多二元金属复合氧化物中, Bi₂Mn₄O₁₀既具有锰酸盐的高质量比容量, 又兼备铋基材料的高体积比容量的特性, 是一种很有前景的新型负极材料; 另外, Bi₂Mn₄O₁₀的理论比容量高达873 mAh/g^[16,17]。目前, Bi₂Mn₄O₁₀的制备方法主要为湿式球磨法^[18]和溶胶-凝胶法。湿式球磨法操作简单、易于产业化, 适用于二元过渡金属氧化物的制备, 但所制备的产物存在粒度分布不均匀、颗粒团聚严重等不足, 对材料的电化学性能有一定影响。如本课题组^[17]曾 通过机械球磨法制备了Bi₂Mn₄O₁₀负极材料, 在0.2C下经过50次电化学循环后放电比容量为402.3 mAh/g, 但容量保持率仅为64.2%。溶胶-凝胶法是一种常用的微米、纳米级材料制备方法, 具有工艺、设备简单, 合成相纯度高、热处理温度低等优点。Zhang等^[16]采用溶胶-凝胶法制备Bi₂Mn₄O₁₀, 并辅以球磨法掺杂科琴黑, 合成了Bi₂Mn₄O₁₀/C负极材料, 在120 mAh/g的电流密度下经300次循环后容量保持率高达100%。聚丙烯酰胺凝胶法是在溶液成胶过程中, 丙烯酰胺聚合成高分子三维网络结构的凝胶, 经过干燥、烧结固化后可得到形貌均一、比表面积大、粒度小的纳米材料, 有助于改善材料的电化学性能^[19,20]。基于此, 本研究拟以硝酸铋为铋源, 乙酸锰为锰源, 采用聚丙烯酰胺凝胶法制备Bi₂Mn₄O₁₀负极材料, 重点考察丙烯酰胺与总金属离子摩尔比、葡萄糖浓度以及热处理温度对Bi₂Mn₄O₁₀形貌、物相和电化学性能的影响。

1 实验方法

1.1 实验试剂

本实验所用试剂主要有五水硝酸铋(Bi(NO₃)₃·5H₂O)、醋酸锰(Mn(CH₃COO)₂·4H₂O)、浓硝酸、柠檬酸、葡萄糖、丙烯酰胺(C₃H₅NO)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(C₇H₁₀N₂O₂)、氨水和去离子水, 所有试剂都是分析纯级别(Analytical grade, AR), 不经二次提纯直接使用。

1.2 材料制备

Bi₂Mn₄O₁₀材料的制备: 首先配制浓度为3 mol/L的稀硝酸溶液, 然后根据Bi₂Mn₄O₁₀的化学计量比, 按摩尔比Mn/Bi=2/1称取Bi(NO₃)₃·5H₂O和Mn(CH₃COO)₂·4H₂O。在搅拌中先将Bi(NO₃)₃·5H₂O加入预配制的稀硝酸溶液中, 再加入Mn(CH₃COO)₂·4H₂O, 控制金属离子的摩尔浓度为0.15 mol/L。待金属离子充分溶解后, 向溶液中加入与金属锂离子摩尔比为1.5 : 1的柠檬酸, 继续搅拌至充分溶解; 然后向溶液中滴加氨水, 并控制溶液pH在2~3范围内, 再加入一定量葡萄糖。充分溶解后, 继续向溶液中加入与金属离子为一定摩尔比例的丙烯酰胺, 随后加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺, 其比例为w(丙烯酰胺)/w(N,N’-亚甲基双丙烯酰胺)=5/1, 全部溶解后, 超声振荡15 min。超声振荡完毕后, 将其转移至358 K的水浴锅内持续搅拌, 形成凝胶。接着将胶体转移至393 K的干燥箱内干燥24 h之后, 将干凝胶取出并研细, 放在马弗炉中, 先在673 K下预烧结, 最后在特定温度下退火10 h得到Bi₂Mn₄O₁₀颗粒。

Bi₂Mn₄O₁₀/ECP-N复合材料的制备: 将科琴黑(纳米级)放入通有NH₃气氛的管式炉内, 气体流速为150 mL/min, 并于1073 K下热处理10 h后得到掺有N元素的ECP-N复合材料。然后, 根据特定质量比将ECP-N复合材料以及制备的Bi₂Mn₄O₁₀颗粒放入玛瑙球磨罐内球磨, 转速为400 r/min, 球磨8 h后得到科琴黑-N复合材料前驱体。再将前驱体置于573 K温度下热处理3 h, 得到Bi₂Mn₄O₁₀/ECP-N复合材料。

1.3 材料表征

采用Rigaku-TTRIII(Cu Ka, λ=0.154056 nm)型X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM, JSM-6360LV)和透射电镜(TEM, JEOL-2010)分析样品的物相组成和形貌结构; 采用型号为QU ADRASORB EVO的自动氮吸附比表面分析仪测试Bi₂Mn₄O₁₀粉末的比表面积和孔径分布; 采用英国马尔文公司, 型号为JL-1177的激光粒度分析仪分析Bi₂Mn₄O₁₀粉末的粒度分布。

1.4 电池组装与性能测试

将制备好的Bi₂Mn₄O₁₀粉末、导电炭黑(乙炔黑)和粘结剂(聚偏氟乙烯, PVDF)按质量比7 : 2 : 1混合, 放入玛瑙研钵中研磨均匀后, 滴加适量的N-甲基吡咯烷酮调节浆料的粘稠度, 利用刮刀将浆料均匀地涂覆在2 μm厚的铜箔上, 放入60 ℃的鼓风干燥箱中干燥12 h, 再用冲片机冲成直径为12 mm的圆形极片。极片称重后置于60 ℃真空干燥箱中干燥6 h以上。以金属锂片为对电极, 1 mol/L LiPF₆的碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯+碳酸甲乙酯体积比(1 : 1 : 1)溶液为电解液, 在无水、充满高纯氩气的手套箱中组装CR2025扣式电池。采用电化学工作站(CHI, 760e)进行循环伏安(CV)测试。采用LAND电池测试系统进行恒电流充放电测试, 充放电电压范围为0.05~3.00 V。

2 结果与讨论

2.1 不同制备条件对Bi₂Mn₄O₁₀的形貌、物相及电化学性能的影响

2.1.1 丙烯酰胺与总金属离子摩尔比的影响

固定葡萄糖浓度为1.11 mol/L, 热处理温度为873 K, 丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为5 : 1, 考察不同丙烯酰胺与总金属离子摩尔比对Bi₂Mn₄O₁₀形貌的影响, SEM照片如图1(a~d)所示。由图可知, 当丙烯酰胺与总金属离子摩尔比等于2 : 1时, 所得产物为棒状、粒状, 无规则; 当丙烯酰胺与总金属离子摩尔比为4 : 1时, 产物呈现类球形粒子的团聚体, 形貌基本一致; 当丙烯酰胺与总金属离子的摩尔比为6 : 1~8 : 1时, 所得到的产物呈类球形, 分散性好。这是因为不断加入丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺可形成3D网络结构, 此时溶液中的金属盐良好地分散在由这些密集网 络结构所形成的狭小空间内, 形成了众多的微反应器^[21]。溶液中金属离子与柠檬酸形成的金属络合物分散在这些微反应器中, 显著降低了热处理过程中分解产物的团聚程度, 从而得到粒度均一、分散性良好的Bi₂Mn₄O₁₀颗粒^[19,20,21]。此外, 材料颗粒尺寸越小、粒度越均匀、分散性越好, 意味着Li⁺在该电极材料内部的扩散路径越短, 有更多的活性材料参与到电化学反应过程中, 储锂能力也得到大幅度提升^[22]。

图 1. 不同丙烯酰胺与总金属离子摩尔比下所得产物的SEM照片((a) 2 : 1, (b) 4 : 1, (c) 6 : 1, (d) 8 : 1), (e) XRD图谱, (f)作为负极材料在0.2C时的比容量循环性能以及摩尔比为8 : 1时产品的库伦效率曲线(0.1C活化3圈, 1C=800 mA/g)

Fig. 1. SEM images ((a) 2 : 1, (b) 4 : 1, (c) 6 : 1, (d)8 : 1), (e) XRD patterns and (f) cycling performance at 0.2C of the products obtained with different molar ratios of acrylamide to total metal ions, and Coulombic efficiency of the product with molar ratio of acrylamide to total metal ions of 8 : 1 (after 3 cycles at 0.1C, 1C=800 mA/g)

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图1(e)为固定其他条件, 不同丙烯酰胺与总金属离子摩尔比条件下所得产物的XRD图谱。由图1(f)可知, 当丙烯酰胺与总金属离子摩尔比低于8 : 1时, 产物中除Bi₂Mn₄O₁₀衍射峰之外, 还存在少量Bi₂O₃、Mn₂O₃或Mn₃O₄的衍射峰, 这可能是由于Bi³⁺、Mn²⁺与柠檬酸的络合物在成胶过程中未能分散均匀。当丙烯酰胺与总金属离子的摩尔比升高至8 : 1时, 所得产物的XRD图谱中的衍射峰与Bi₂Mn₄O₁₀的标准卡片JCPDS#27-0048基本一致, 表明所得Bi₂Mn₄O₁₀的纯度较高。

固定其他条件, 改变丙烯酰胺与总金属离子的摩尔比, 考察所得到的Bi₂Mn₄O₁₀负极材料在0.2C时的比容量循环性能, 结果如图1(f)所示。由图可知, 当丙烯酰胺与金属离子摩尔比分别为2 : 1、4 : 1、6 : 1、8 : 1时, 所得到的负极材料在循环50圈后, 电池保持的比容量分别为335.8、356.7、403.4以及496.8 mAh/g, 表明纯相Bi₂Mn₄O₁₀负极材料具有比较好的电化学性能。此外, 用该条件下得到的纯相Bi₂Mn₄O₁₀负极材料组装Bi₂Mn₄O₁₀/Li⁺扣式锂离子电池, 其第一圈库伦效率即可达到93.21%, 第二圈及之后库伦效率上升到98%以上, 这是因为高的丙烯酰胺与总金属离子浓度比(丙烯酰胺与金属离子摩尔比为8 : 1且葡萄糖浓度为1.11 mol/L时, 溶胶已经饱和, 继续加入丙烯酰胺不会再溶解)可以形成密集的网络结构, 有效减少了热处理过程中粉末的团聚, 有利于获得分散性好的Bi₂Mn₄O₁₀负极材料, 增加材料与电解液接触机会, 从而提高电化学反应速率和库伦效率^[19,20]。此外, 良好的分散性也有利于缓解Bi₂Mn₄O₁₀脱嵌锂过程中的体积膨胀, 提高Bi₂Mn₄O₁₀/Li⁺扣式锂离子电池的循环容量^[23]。

2.1.2 葡萄糖浓度的影响

固定丙烯酰胺与总金属离子摩尔比为8 : 1, 丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的重量比为5 : 1, 热处理温度为873 K, 考察不同葡萄糖浓度下所得产物对Bi₂Mn₄O₁₀形貌的影响, 结果如图2(a~d)所示。由图可知, 当葡萄糖浓度为0.28 mol/L时, 产物团聚严重。因为葡萄糖在热分解时不仅可以形成碳骨架避免凝胶在分解过程中坍塌, 而且葡萄糖热分解释放出的CO₂和水蒸气也可抑制颗粒的团聚。进一步增加葡萄糖的浓度, 产物由团聚的块状向单个的类球状颗粒转变, 并且分散性变好^[24], 本实验中最大的葡萄糖浓度为1.11 mol/L。

图 2. 不同葡萄糖浓度下所得产物的SEM照片((a) 0.28 mol/L, (b) 0.56 mol/L, (c)0.83 mol/L, (d) 1.11 mol/L), (e) XRD图谱, (f) 作为负极材料在0.2C时的比容量循环性能以及葡萄糖浓度为1.11 mol/L时产品的库伦效率曲线(0.1C活化3圈, 1C=800 mA/g)

Fig. 2. SEM images ((a) 0.28 mol/L, (b) 0.56 mol/L, (c) 0.83 mol/L, (d) 1.11 mol/L), (e) XRD patterns and (f) cycling performance at 0.2C of the products obtained with different glucose concentrations, and Coulombic efficiency of the product with 1.11 mol/L glucose (after three cycles at 0.1C, 1C=800 mA/g)

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图2(e)为固定其他条件, 不同葡萄糖浓度下所得产物的X射线衍射图谱。由图2(e)可知, 当葡萄糖浓度等于或大于0.28 mol/L时, 所得产物的X射线衍射图谱中的衍射峰与Bi₂Mn₄O₁₀的标准卡片JCPDS#27-0048基本一致, 说明此时所得的Bi₂Mn₄O₁₀的物相较纯。

图2(f)为固定其他条件, 改变葡萄糖浓度, 所得到的Bi₂Mn₄O₁₀负极材料在0.2C时的比容量循环性能。由图可知, 随葡萄糖浓度增加, 所得Bi₂Mn₄O₁₀负极材料循环50圈后的比容量明显增大, 葡萄糖浓度为0.28 mol/L时比容量仅为247.5 mAh/g。当葡萄糖浓度为1.11 mol/L时(此时葡萄糖在溶胶中已经饱和)达到最高(496.8 mAh/g), 这可能是由于增加葡萄糖浓度, 在热处理过程中葡萄糖碳化容易形成大量的碳骨架, 这样热分解时凝胶的坍塌变少, 热分解产物颗粒之间黏连程度降低, 导致Bi₂Mn₄O₁₀颗粒分散性增强, 使材料与电解液的接触更充分, 锂离子迁移速率加快, 储锂性能更佳。

2.1.3 热处理温度的影响

固定丙烯酰胺与总金属离子的摩尔比为8 : 1, 葡萄糖浓度为1.11 mol/L, 丙烯酰胺与N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为5 : 1的条件下, 热处理温度对Bi₂Mn₄O₁₀负极材料形貌的影响, SEM照片如 图3(a~c)所示。由图可知, 当热处理温度873 K时, 其颗粒分布较为均匀、团聚少; 继续升高热处理温度至923和973 K后, Bi₂Mn₄O₁₀的纳米颗粒逐渐长大, 颗粒间相互粘连、团聚严重, 分散性变差。这是因为当热处理温度高于873 K时已形成的Bi₂Mn₄O₁₀颗粒再次长大, 导致颗粒团聚在一起。

图 3. 不同热处理温度下所得产物SEM照片((a) 873 K, (b) 923 K, (c) 973 K), (d) XRD图谱, (e)作为负极材料在0.2C时的比容量循环性能以及873 K时产品的库伦效率曲线(0.1C活化3圈, 1C=800 mA/g)

Fig. 3. SEM images ((a) 873 K, (b) 923 K, (c) 973 K), (d) XRD patterns and (e) cycling performance at 0.2C of the products obtained with different heat treatment temperatures, and Coulombic efficiency of the product with heat-treatment temperature of 873 K (after three cycles at 0.1C, 1C=800 mA/g)

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图3(d)为不同热处理温度下所得产物对Bi₂Mn₄O₁₀的物相的影响。由图可知, 当热处理温度为823 K时, 产物为Bi₂Mn₄O₁₀、Bi₂O₃和Mn₃O₄的混合物; 随着热处理温度的升高, 其它杂相峰随之消失, 当热处理温度超过873 K时, 所得产物的XRD图谱中的衍射峰与Bi₂Mn₄O₁₀的标准卡片JCPDS#27-0048基本一致, 说明此时所得Bi₂Mn₄O₁₀的物相较纯。当热处理温度继续升高时, Bi₂Mn₄O₁₀特征峰随之增强, 所得产物的结晶度也更好。结合图3(a~d)可知, 高的热处理温度有利于获得单一物相的Bi₂Mn₄O₁₀粉末, 但热处理温度太高则导致Bi₂Mn₄O₁₀粉末团聚加剧。

固定其他条件, 改变热处理温度, 考察所得到的Bi₂Mn₄O₁₀负极材料在0.2C时的比容量循环性能, 结果如图3(e)所示。由图可知, 当热处理温度分别为873、923以及973 K时, 所得Bi₂Mn₄O₁₀负极材料在循环50圈后, 可分别保持496.8、412.1和314.8 mAh/g的比容量, 其中热处理温度为873 K时所得比容量最高。结合图3(a~c)可知该温度下, 所得到的Bi₂Mn₄O₁₀分散性比较好, 作为负极材料与电解液充分接触, 增加了储锂活性位点, 从而改善Li⁺嵌入和脱出的电化学反应, 因此, 该条件下, Bi₂Mn₄O₁₀负极材料表现出较好的循环性能。

2.2 优化工艺条件下所得Bi₂Mn₄O₁₀的表征及电化学性能

图4为优化工艺条件(丙烯酰胺与金属离子摩尔比为8 : 1, 葡萄糖浓度为1.11 mol/L, 热处理温度为873 K)下制备的Bi₂Mn₄O₁₀的TEM照片和HRTEM照片。由图4(a)TEM照片可看出, Bi₂Mn₄O₁₀颗粒的粒度分布均匀, 团聚较少。图4(b)Bi₂Mn₄O₁₀的HRTEM照片中, 其晶面间距为0.312 nm, 与Bi₂Mn₄O₁₀的(121)晶面相匹配。

图 4. 在优化工艺条件下制备的Bi₂Mn₄O₁₀的(a)TEM和(b) HRTEM照片

Fig. 4. (a) TEM and (b) HRTEM images of Bi₂Mn₄O₁₀ obtained at optimized conditions

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图5为优化工艺条件下制备的Bi₂Mn₄O₁₀颗粒粒度分布柱状图, N₂吸脱附曲线以及孔径分布曲线。由图5(a)粒度分布柱状图可知, Bi₂Mn₄O₁₀颗粒的粒度分布均匀, 颗粒的D₅₀为1.128 μm。由图5(b) N₂吸脱附曲线以及孔径分布曲线可知, N₂吸脱附曲线为典型的IV型滞留环, 表明制备的Bi₂Mn₄O₁₀颗粒呈现明显的介孔结构, 平均孔径为22.22 nm。BET测试结果表明该材料的比表面积为20.3096 m²/g, 总孔体积为0.1128 cm³/g。大的比表面积和多孔结构不仅能促进电解液的渗透, 提供足够的表面/界面, 促进电荷转移和缩短离子扩散的路径长度, 而且有利于控制活性物质易团聚的特性, 缓解连续循环期间Bi₂Mn₄O₁₀的体积膨胀, 提高Bi₂Mn₄O₁₀负极材料的循环性能^[25]。

图 5. 在优化工艺条件下制备的Bi₂Mn₄O₁₀的(a)粒度分布柱状图和(b)氮气吸脱附曲线以及孔径分布图

Fig. 5. (a) Particle size distribution and (b) N₂ adsorption and desorption curves of Bi₂Mn₄O₁₀ obtained at optimized conditions with inset in (b) showing the pore size distribution curve

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图6(a)为优化工艺条件下制备的Bi₂Mn₄O₁₀的循环伏安曲线(电压范围0.01~3.00 V, 扫描速率0.1 mV/s)。由图可知, 首圈放电过程中, 在1.4~1.7 V处观察到两个弱峰, 对应于转化型还原反应的开 始^[26], 在~1.25 V的阴极峰可能与Bi₂Mn₄O₁₀和金属Bi、Mn的不可逆反应有关(式(1))^[27]; 在~0.68和~0.74 V的阴极峰可能与SEI膜的形成有关, 该处峰在随后的循环中消失。在~0.25 V的阴极峰可能与Li-Bi合金的形成, 以及铋、锰氧化物还原成金属Bi、Mn和Li₂O有关(式(2~4))^[26,28-29]。

图 6. 优化工艺条件下制备的Bi₂Mn₄O₁₀的(a)循环伏安曲线, (b)在0.1C时的电压-比容量曲线和(c)倍率性能图

Fig. 6. (a) CV curves, (b) voltage-specific capacity curves at 0.1C and (c) rate performance curve of Bi₂Mn₄O₁₀ obtained at optimized conditions

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首圈充电过程中, 在电压0.94 V左右的氧化峰可能对应于Li₃Bi去合金化后形成Bi₀, 在~1.31 V处较宽的氧化峰可能对应于Bi和Mn再氧化^[16-17,26]。在随后的循环中只出现了一个较宽的氧化峰, 可能是因为在循环过程中, 电极极化增大, 导致在0.94 V左右的氧化峰右移^[17,27]。从CV曲线可以看出首圈后的还原和氧化峰表现出优异的重叠特征, 表明电极在电化学反应过程中具有良好的可逆性和稳定性。

图6(b~c)为优化工艺条件下制备的Bi₂Mn₄O₁₀负极材料在0.1C时的电压-比容量曲线和倍率性能图。由图6(b)可知, 该负极材料首圈充电比容量与放电比容量分别为720.5和1190.4 mAh/g, 这是由于首圈放电过程形成固体电解质界面(SEI)膜, 导致Bi₂Mn₄O₁₀负极材料首圈放电比容量超过其理论比容量(873 mAh/g)^[25]。此外, 由图可知, Bi₂Mn₄O₁₀负极材料首圈库仑效率为60.52%, 但在随后的第二圈和第三圈充放电过程中其库仑效率升高到91.9%和95.41%。由图6(c)可知, 在充放电倍率为0.2C、0.5C、1C、2C和3C时, 该Bi₂Mn₄O₁₀负极材料的比容量分别为675.4、575.3、437.5、308和232 mAh/g, 表现出良好的倍率性能。

3 结论

1)在丙烯酰胺含量与总金属离子摩尔比为8 : 1, 葡萄糖浓度为1.11 mol/L, 热处理温度为873 K条件下, 可获得高纯度、类球型、分散性良好的Bi₂Mn₄O₁₀粉末, 该Bi₂Mn₄O₁₀粉末的粒度分布D₅₀=1.128 μm, 比表面积为20.31 m²/g, 平均孔径为22.22 nm。

2)最优工艺条件下所制备的Bi₂Mn₄O₁₀负极材料在0.2C倍率下循环50圈后的比容量达496.8 mAh/g。在0.1C下首圈库仑效率为60.52%, 第二圈和第三圈充放电过程中Bi₂Mn₄O₁₀的库仑效率可以升高到91.9%和95.41%。在3C倍率下仍可以获得232 mAh/g的比容量。