34
Першина С. В. и др.
Журнал прикладной химии. 2021. Т. 94. Вып. 1
УДК 544.076.32
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АНОДНОГО МАТЕРИАЛА
Li4Ti5O12 ДЛЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
© С. В. Першина, Б. Д. Антонов, А. С. Фарленков
Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН,
620137, г. Екатеринбург, ул. Академическая, д. 20
Е-mail: svpershina_86@mail.ru; pershina@ihte.uran.ru
Поступила в Редакцию 16 апреля 2020 г.
После доработки 28 августа 2020 г.
Принята к публикации 4 сентября 2020 г.
Разработана методика синтеза однофазного титаната лития состава Li4Ti5O12 с использованием
тетраэтокcититана в качестве прекурсора и лимонной кислоты в качестве комплексообразователя.
Методами рентгенофазового анализа, дифференциально-сканирующей калориметрии и растровой
электронной микроскопии исследованы процессы, происходящие при растворном и твердофазном
синтезе Li4Ti5O12. В зависимости от способа синтеза определен фазовый состав продуктов, образу-
ющихся при разных температурах. Установлено, что фазообразование титаната лития сопровож-
дается образованием промежуточной фазы Li2TiO3, обогащенной литием.
Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор; анодные материалы; пентатитанат лития Li4Ti5O12,
шпинель; тетраэтоксиэтан
DOI: 10.31857/S0044461821010059
Пентатитанат лития Li4Ti5O12 является перспек-
влияние на электрохимические свойства Li4Ti5O12 и
тивным анодным материалом для литий-ионных ак-
соответственно работу самого аккумулятора.
кумуляторов, поскольку обладает высокой теоретиче-
Для достижения высокой удельной емкости, вы-
ской емкостью — 175 мА·ч·г-1 [1], безопасностью и
сокой скорости интеркаляции/деинтеркаляции ли-
при интеркаляции/деинтеркаляции лития не претер-
тия и повышенной стабильности аккумулятора было
певает значительных объемных изменений [2]. Можно
предложено несколько подходов к синтезу анода на
утверждать, что Li4Ti5O12 не деградирует в процес-
основе Li4Ti5O12, в том числе наноструктурирование,
се работы аккумулятора в отличие от других ано-
оптимизация морфологии частиц, создание поверх-
дных материалов (аморфного кремния, углерод/гра-
ностного покрытия, допирование и формирование
фита, металлического лития и его сплавов). Как по-
композитов [5]. В литературе описано несколько спо-
лагают исследователи [3, 4], использование шпинели
собов синтеза Li4Ti5O12: твердофазный и растворный,
в качестве анода является самой рациональной кон-
в числе которых золь-гель, глицин-нитратный и ги-
цепцией для создания литий-ионных батарей высокой
дротермальный. Каждый из данных способов синтеза
мощности.
имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее
Шпинель Li4Ti5O12 относится к твердым раство-
распространенный твердофазный синтез подразуме-
рам Li3+xTi6-xO12 (0 ≤ x ≤ 1) и семейству Li1+xTi2-xO4
вает сравнительно высокие температуры спекания
при 0 ≤ x ≤ 1/3. Во всем мире ведутся активные иссле-
прекурсоров (800-1000°C) при продолжительной
дования по оптимизации условий синтеза шпинели
выдержке (12-24 ч) [6-10]. Также при твердофазном
для получения продукта с заданными характеристи-
синтезе конечный продукт образован более круп-
ками (размер и форма частиц) и высокой фазовой
ными частицами (более 1 мкм), чем при получении
чистотой, а также удешевлению технологии синтеза.
растворными методами, поэтому последний способ
Перечисленные параметры, во многом зависящие от
предпочтителен. Так, в работе [2] по глицин-нитрат-
способа синтеза, существенным образом оказывают
ному методу был получен сильно агломерированный
Оптимизация технологии получения анодного материала Li4Ti5O12 для литий-ионных аккумуляторов
35
однофазный Li4Ti5O12 со средним размером частиц
гель нагревали на воздухе до температуры ~200°C
сферической формы 100 нм. Однако по золь-гель ме-
и выдерживали в течение 5 ч. При последующем
тоду синтезированный порошок титаната лития был
нагреве до 500°C и выдержке 1 ч все органические
образован агрегатами размером до 50 мкм, состоящи-
соединения полностью разложились и улетучились.
ми из частиц 200-600 нм, но содержал примесную
Далее полученную шихту отжигали в алундовом
фазу рутила TiO2 [2]. Стоит отметить, что зачастую
тигле при 750°C — 1 ч, 800°C — 5 ч на воздухе.
в конечном продукте присутствует примесная фаза
После окончания каждого режима смесь перетирали
рутила [5, 9], что связано с малой реакционной спо-
в агатовой ступке в течение 0.5 ч. Полноту прохож-
собностью оксида титана.
дения синтеза контролировали с помощью рентге-
Цель исследования — оптимизация условий син-
нофазового анализа (РФА) на дифрактометре Rigaku
теза однофазного Li4Ti5O12 как твердофазным мето-
D/MAX-2200VL/PC, CuKα-излучение в интервале
дом, так и по золь-гель технологии.
углов рассеяния 2θ = 10°-85° с шагом 0.02° при ком-
натной температуре. Идентификация соединений
осуществлена при помощи базы данных PDF-2.
Экспериментальная часть
Термическое поведение исходной смеси иссле-
Синтез Li4Ti5O12 осуществляли по двум методам:
довали методом синхронного термического анализа,
твердофазному и золь-гель. В качестве исходных
который объединяет методы термогравиметрии (TГ)
компонентов использовали Li2CO3 (ч.д.а.), рутил TiO2
и дифференциальной сканирующей калориметрии
(ос.ч.) либо тетраэтоксититан (C2H5O)4Ti (ч.) в зави-
(ДСК). Регистрацию сигнала ДСК проводили на тер-
симости от способа синтеза.
моанализаторе STA 449 F1 Jupiter® (Netzsch) с чув-
По твердофазному методу Li2CO3 и TiO2 были
ствительностью весов 0.1 мкг. Измерения были вы-
смешаны в количестве, вычисленном согласно ре-
полнены в платиновых тиглях с крышками на воздухе
акции
со скоростью нагрева 10 град·мин-1 при скорости
продувки ячейки 20 мл·мин-1. Изучение процессов,
2Li2CO3 + 5TiO2 → Li4Ti5O12 + 2CO2↑.
(1)
происходящих при нагревании порошков, было вы-
полнено с учетом базовых линий (кривых коррекции),
Шихту гомогенизировали в агатовой ступке или
для чего предварительно проведены измерения пу-
механоактивировали в шаровой мельнице мокрого
стых платиновых тиглей при аналогичных условиях.
помола (FRITSCH) с агатовыми шарами диаметром
Полученные данные были обработаны с помощью
10 мм при массовом соотношении шары:шихта =
сертифицированного программного обеспечения
= 3:1 со скоростью 750 об·мин-1 в течение 30 мин с
NETZSCH Proteus.
добавлением этилового спирта. После высушивания
Морфологический анализ полученных порошко-
при 200°C смесь прессовали в таблетки при 160 МПа.
образных материалов проводили методом растровой
Полученный порошок или таблетки спекали при раз-
электронной микроскопии (РЭМ) с помощью элек-
личных температурах (700, 750, 800, 850 и 900°C) в
тронного микроскопа Mira 3 LMU (Tescan), оснащен-
течение 2-5 ч на воздухе.
ного детекторами вторичных и обратнорассеянных
Синтез по золь-гель технологии проводили с
электронов. Локальный фазовый анализ выполняли
лимонной кислотой C6H8O7 (х.ч.) в качестве ком-
с использованием системы INCA Synergy Premium
плексообразователя следующим образом. Сначала
Nordlys II F+ (Oxford Instruments) методом дифракции
осуществляли гидролиз заданного количества те-
обратнорассеянных электронов (EBSD — Electron
траэтоксититана при соотношении Li:Ti = 4:5 на
Backscatter Diffraction). Анализ картин Кикучи прово-
магнитной мешалке с подогревом в течение 3 ч в
дили с помощью программного обеспечения Aztec 3.1
стеклоуглеродной чашке и последующим раство-
(Oxford Instruments).
рением белого осадка метатитановой кислоты при
добавлении разбавленной HNO3 (1:1), ос.ч. В резуль-
Обсуждение результатов
тате образовывался прозрачный раствор титанила, к
которому добавляли раствор Li2CO3 с лимонной кис-
На рентгенограмме порошка, отожженного при
лотой (оптимальное отношение R лимонной кислоты
700°C, присутствуют рефлексы от Li2CO3, TiO2 и
к общему количеству ионов металла составляло 1/2,
Li2TiO3, доля последнего возрастает с ростом тем-
определенное ранее в работе [1]). В результате был
пературы отжига до 750°C (рис. 1). При дальнейшем
получен прозрачный раствор, который упаривали
повышении температуры спекания интенсивность пи-
до образования геля при 80°C в течение 12 ч. Затем
ков, относящихся к фазам Li2TiO3 и TiO2, снижается,
36
Першина С. В. и др.
а интенсивность пиков Li4Ti5O12 возрастает. Таким
меньшее влияние на конечный выход Li4Ti5O12, чем
образом, синтез Li4Ti5O12 проходит через образова-
температура отжига исходной смеси.
ние промежуточного продукта реакции Li2TiO3, кото-
Обнаружено, что при нагревании порошка до
рый при дальнейшем взаимодействии с TiO2 повыша-
750°C по золь-гель методу наряду с основной фазой
ет выход пентатитаната лития (рис. 1). Однако синтез
присутствует примесь TiO2, а при 800°C все брэг-
порошка при температурах ниже 900°C в течение
говские пики на рентгенограмме относятся к пен-
4 ч не привел к образованию однофазного Li4Ti5O12
татитанату лития со структурой шпинели (рис. 3).
(рис. 1). Была предложена технология получения
Температура синтеза однофазного Li4Ti5O12 из
Li4Ti5O12, включающая первоначальное спекание
(C2H5O)4Ti на 50°C меньше, чем температура его
механоактивированной в шаровой мельнице смеси
получения даже по модифицированному нами твер-
при 750°C в течение 4 ч, таблетирование порошков
дофазному синтезу (рис. 3), что связано с взаимо-
с последующим отжигом при 850°C в течение 4 ч.
действием компонентов на молекулярном уровне и
В результате получен однофазный титанат лития со
меньшей толщиной диффузионного слоя. В работе
структурой шпинели (кубическая решетка, простран-
[1] монофазный Li4Ti5O12 был получен по золь-гель
ственная группа Fd-3m) (рис. 2, в). Вероятно, сниже-
методу из тетрабутилата титана (C4H9O)4Ti при 850°C
ние температуры фазообразования Li4Ti5O12 связано
в течение 24 ч. Таким образом, предложенный способ
с уменьшением размера частиц и увеличением пло-
синтеза пентатитаната лития из более дешевого те-
щади контакта взаимодействующих частиц благодаря
траэтоксититана позволил также снизить температуру
спеканию порошка в виде запрессованных таблеток.
и время отжига.
В твердофазной реакции продукт сначала образуется
Методом ДСК установлено, что взаимодействие
на границе раздела реагентов, что создает диффузи-
реагентов Li2CO3 с рутилом TiO2 начинается при
онный слой фазы Li2TiO3, обогащенной литием. Для
500°C и заканчивается до 850°C, при этом наблюда-
дальнейших реакций ионам Li+ необходимо преодо-
ется убыль массы на 15.5% (рис. 4). На кривой ДСК
леть диффузионный слой, поэтому необходим отжиг
появляются три эндотермических пика — 724, 842 и
при высоких температурах в течение длительного
958°C. Сопоставляя полученные данные по РФА и
периода времени.
ТГ-ДСК, можно утверждать, что самый интенсивный
Для оценки влияния продолжительности спекания
пик при 724.1°C связан с взаимодействием исходных
на фазовую чистоту смесь прекурсоров отжигали при
компонентов по реакции
850°C в течение 4, 5 и 8 ч. Установлено, что продол-
жительность изотермической выдержки оказывает
Li2CO3 + TiO2 → Li2TiO3 + CO2↑.
(2)
Рис. 1. Порошковые рентгенограммы взаимодействия Li2CO3 и рутила TiO2 при различной температуре спека-
ния, регистрируемые при комнатной температуре.
Оптимизация технологии получения анодного материала Li4Ti5O12 для литий-ионных аккумуляторов
37
Рис. 3. Рентгенограммы Li4Ti5O12, полученного
Рис. 2. Порошковые рентгенограммы Li4Ti5O12, отож-
золь-гель методом при 750 (1) и 800°C (2).
женного при 850°C в течение 4 ч, при разных услови-
ях синтеза.
электронов (рис. 5, а) разного химического состава,
а — порошок, смешанный в ступке; б — порошок, из-
о чем свидетельствует слабовыраженный контраст на
мельченный в мельнице; в — таблетированный образец.
изображениях в режиме обратнорассеянных электро-
нов (рис. 5, б). Можно предположить, что более круп-
Убыль массы (15.5%) близка к расчетному зна-
ные частицы — Li2TiO3 (рис. 5, а), а мелкие размером
чению (15.9%), что подтверждает данную реакцию.
~1 мкм сферической формы — Li4Ti5O12 (рис. 5, б).
Пик при 842°C, не сопровождающийся убылью
Для проверки этого предположения были проведены
массы образца, связан с протеканием реакции
исследования локального фазового состава данного
2Li2TiO3 + 3TiO2 → Li4Ti5O12.
(3)
материала методом EBSD (рис. 6).
Результат обработки картины дифракции
Пик при 958.1°C, вероятно, обусловлен разло-
(рис. 6, а), полученной с крупной частицы, показал,
жением Li4Ti5O12 и сопровождается убылью массы
что кристаллическая структура исследуемой частицы
на 0.28%, поэтому температура спекания образцов
соответствует Li2TiO3 с моноклинной кристалли-
должна быть не выше установленной. В работе [9]
ческой решеткой [12]. Для более мелкой частицы,
показано, что взаимодействие Li2CO3 с низкотем-
отличающейся от крупной по морфологии и контра-
пературной модификацией TiO2 (анатаз) начинается
сту, проведенный анализ картины Кикучи (рис. 6, б)
при более низких температурах ~400°C и заканчи-
свидетельствует о принадлежности кристаллической
вается до 650°C с образованием Li2TiO3, после чего
структуры данной частицы к кубической решетке
анатаз переходит в рутил, хотя однофазный Li4Ti5O12
Li4Ti5O12 [13]. Однозначность соответствия той или
формируется при ~1000°C. Результаты [11] также
иной кристаллической структуре подтверждается
подтверждают гипотезу о многостадийной реакции
более низким значением величины среднего угло-
образования шпинели.
вого отклонения, показывающей отклонение между
При синтезе пентатитаната лития растворным ме-
экспериментально обнаруженным и теоретическим
тодом взаимодействие исходных веществ начинается
положением линий Кикучи.
при более низких температурах (рис. 3). Обнаружено,
C ростом температуры отжига частицы Li4Ti5O12
что фазовая чистота продукта зависит от количества
укрупняются и содержание промежуточной фазы
введенного Li2CO3. Так, образец состава Li4Ti5O12
Li2TiO3 снижается (рис. 5, в, г), что коррелирует с
без избытка лития является однофазным, однако вве-
результатами РФА (рис. 1). Также на стадии отжига
дение 5% избытка Li2CO3 приводит к появлению
при 800-900°C происходит спекание порошка с обра-
следовых количеств Li2TiO3.
зованием более крупных агломератов. Схематически
Образец порошкообразного Li4Ti5O12 состоит
процесс синтеза Li4Ti5O12 изображен на рис. 7.
из двух фракций, которые отчетливо наблюдаются
Поскольку исходный порошок рутила имеет раз-
на изображениях, полученных в режиме вторичных
ный гранулометрический состав, на более мелких
38
Першина С. В. и др.
Рис. 4. Сигнал дифференциально-сканирующей калориметрии и убыль массы прекурсоров Li2CO3 и рутила TiO2,
измеренные при скорости нагрева 10 град·мин-1.
Рис. 5. Микрофотографии порошка Li4Ti5O12, полученного твердофазным методом при 800 (а, б)
и 900°C (в, г) в течение 4 ч.
Изображение: а, в — в режиме вторичных электронов; б, г — в режиме обратнорассеянных электронов.
Оптимизация технологии получения анодного материала Li4Ti5O12 для литий-ионных аккумуляторов
39
Рис. 6. Изображения в режиме обратнорассеянных электронов (слева) порошка Li4Ti5O12, синтезированного
твердофазным методом при 800°C в течение 4 ч (а), и картины Кикучи (справа), полученные с частиц различной
морфологии (б).
частицах реакция фазообразования Li4Ti5O12 прохо-
необходим высокотемпературный продолжительный
дит при более низких температурах. Ионы Li+ прео-
отжиг, что в итоге приводит к существенному росту
долевают диффузионный слой из литий-обогащенной
керамического зерна.
фазы Li2TiO3 на поверхности TiO2 для дальнейшего
По данным электронной микроскопии, порошок
взаимодействия с образованием Li4Ti5O12. Чем мень-
Li4Ti5O12, синтезированный по золь-гель техноло-
ше частицы TiO2, тем реакции (2) и (3) протекают
гии, сложен агломератами до 60 мкм, состоящими из
быстрее и при более низких температурах. На бо-
частиц размером 300-650 нм (рис. 8). К преимуще-
лее крупных частицах толщина диффузионного слоя
ствам полученного порошка относится однофазность,
больше, и для полного прохождения данной реакции
достаточно узкий диапазон размеров частиц и рыхлая
Рис. 7. Схематическое изображение образования Li4Ti5O12.
40
Першина С. В. и др.
ной методики синтеза путем гидролиза тетраэток-
сититана (C2H5O)4Ti является снижение стоимости
готовой продукции, поскольку используемый реактив
в 10 раз дешевле по сравнению с тетрабутилатом ти-
тана (C4H9O)4Ti, в основном применяемым в качестве
прекурсора при получении Li4Ti5O12.
Благодарности
Аттестация материалов проведена с использова-
нием оборудования ЦКП «Состав вещества» ИВТЭ
УрО РАН.
Финансирование работы
Работа выполнена в рамках бюджетного плана
Рис. 8. Микрофотографии порошка Li4Ti5O12,
Института высокотемпературной электрохимии
полученного по золь-гель методу при 800°C в течение
Уральского отделения Российской академии наук по
5 ч.
теме АААА-А19-119020190042-7.
текстура агломератов, которая формируется при вы-
Конфликт интересов
горании углеродсодержащих компонентов. Из-за сме-
шивания компонентов на молекулярном уровне по
Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-
золь-гель синтезу размер зерен существенно меньше
ресов, требующего раскрытия в данной статье.
и энергия, необходимая для фазообразования, мень-
ше по сравнению с твердофазным методом. Также
Информация об авторах
тепло, выделяемое в процессе сгорания геля, завер-
шает процесс нуклеации на ранней стадии золь-гель
Першина Светлана Викторовна, к.х.н.,
синтеза, что приводит к узкому распределению ча-
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-0345-4978
стиц по размерам. Полученные результаты также
Антонов Борис Дмитриевич, к.х.н.,
подтверждают предложенную гипотезу образования
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-6793-1561
Li4Ti5O12 (рис. 7).
Фарленков Андрей Сергеевич,
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-5507-7783
Выводы
Список литературы
В ходе работы установлено, что образова-
ние Li4Ti5O12 является двустадийным процессом.
[1] HaoY., Lai Q., Liu D., Xu Z., Ji X. Synthesis by citric
Взаимодействие исходных реагентов Li2CO3 и ру-
acid sol-gel method and electrochemical properties
тила TiO2 начинается выше 500°C и заканчивается
of Li4Ti5O12 anode material for lithium-ion battery //
до 850°C, при этом промежуточная стадия включает
Mater. Chem. Phys. 2005. V. 94. P. 382-387.
образование продукта Li2TiO3. Обнаружено, что оп-
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.05.019
тимальными условиями для получения однофазного
[2] Бабенко А. С., Корнев П. В., Жуков А. В., Чижевс-
кая С. В. Синтез Li4Ti5O12 // Успехи в химии и хим.
Li4Ti5O12 с кубической решеткой и пространственной
технологии. 2015. Т. XXIX. № 6. C. 88-89.
группой Fd-3m по твердофазному методу синтеза яв-
[3] Jansen A. N., Kahaian A. J., Kepler K. D., Nelson P. A.,
ляется отжиг при 850°C в течение 4 ч, при этом поро-
Amine K., Dees D. W., Vissers D. R., Thackeray M. M.
шок образован агломератами, состоящими из частиц
Development of a high-power lithium-ion battery // J.
>1 мкм. Предложенная методика синтеза однофазного
Power Sourc. 1999. V. 81-82. P. 902-905.
титаната лития состава Li4Ti5O12 по золь-гель техно-
https://doi.org/10.1016/S0378-7753(99)00268-2
логии позволила снизить температуру отжига порош-
[4] Masatoshi M., Satoshi U., Eriko Y., Keiji K., Shinji I.
ка по сравнению с твердофазным методом синтеза с
Development of long life lithium ion battery for power
850 до 800°C, при этом достигнув узкого диапазона
storage // J. Power Sourc. 2001. V. 101. P. 53-59.
размера частиц. Также преимуществом разработан-
https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00554-7
Оптимизация технологии получения анодного материала Li4Ti5O12 для литий-ионных аккумуляторов
41
[5]
Zhao B., Ran R., Liu M., Shao Z. A comprehensive
Li4Ti5O12 from an Anatase TiO2 Source // Chem.
review of Li4Ti5O12-based electrodes for lithium-
Mater. 2014. V. 26. P. 3679-3686.
ion batteries: The latest advancements and future
https://doi.org/10.1021/cm500934z
perspectives // Mater. Sci. Eng. R. 2015. V. 98. P. 1-71.
[10] Shu J., Shui M., Xu D., Gao S., Yi T., Wang D., Li X.,
https://doi.org/10.1016/j.mser.2015.10.001
Ren Y. Design and comparison of ex situ and in situ
[6]
Gu Y.-J., Guo Z., Liu H.-Q. Structure and
devices for Raman characterization of lithium titanate
electrochemical properties of Li4Ti5O12 with Li excess
anode material // Ionics. 2011. V. 17. P. 503-509.
as an anode electrode material for Li-ion batteries //
https://doi.org/10.1007/s11581-011-0544-4
Electrochim. Acta. 2014. V. 123. P. 576-581.
[11] Shin J.-W., Hong C.-H., Yoon D.-H. Effects of TiO2
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.12.159
starting materials on the solid-state formation of
[7]
Peramunage D., Abraham K. M. Preparation of
Li4Ti5O12 // J. Am. Ceram. Soc. 2012. V. 95. P. 1894-
micron-sized Li4Ti5O12 and its electrochemistry in
1900.
polyacrylonitrile electrolyte-based lithium cells // J.
https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2012.05165.x
Electrochem. Soc. 1998. V. 145. P. 2609-2615.
[12] Dorrian J. F., Newnham R. E. Refinement of the
https://doi.org/10.1149/1.1838689
structure of Li2TiO3 // Mater. Res. Bull. 1969. V. 4.
[8]
Hsiao K. C., Liao S. C., Chen J. M. Microstructure effect
P. 179-183.
on the electrochemical property of Li4Ti5O12 as an
https://doi.org/10.1016/0025-5408(69)90054-3
anode material for lithium-ion batteries // Electrochim.
[13] Deschanvers A., Raveau B., Sekkal Z. Mise en evidence
Acta. 2008. V. 53. P. 7242-7247.
et etude cristallographique dʹune nouvelle solution
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.05.002
solide de type spinelle Li1+xTi2-xO4 0 ≤ x ≤ 0.333 //
[9]
Shen Y., Søndergaard M., Christensen M., Birgisson S.,
Mater. Res. Bull. 1971. V. 6. P. 699-704.
Iversen B. B. Solid state formation mechanism of