Synthesis and Electrochemical Improvement of Nanocrystalline LiMn2-XMgXO4 Powder Using Sol-Gel Method

K.Suryakala, G.Paruthimal Kalaignan* and T.Vasudevan

Department of Industrial Chemistry, Alagappa University, Karaikudi – 630 003, Tamilnadu, India

Latar Belakang

Penelitian di bidang isi ulang baterai lithium-ion telah membuat kemajuan yang signifikan dalam dekade terakhir melalui peningkatan permintaan untuk menggunakan bahan Nano. Struktur Nanomaterial umum digunakan untuk mempersiapkan elektroda positif untuk baterai lithium isi ulang. Dua senyawa paradigmatis sistem ini LiMn2O4 dan LiCoO2, yang telah menerima banyak perhatian. Karena beberapa kelemahan dari metode ini, yaitu homogen, tidak teratur morfologi, distribusi ukuran partikel yang lebih besar, kontrol stoikiometri yang sedikit dan jangka waktu yang lebih lama kalsinasi diikuti diperkenalkan untuk sintesis kinerja katoda bahan aktif tinggi untuk baterai lithium rechargeable. Untuk meningkatkan kinerja dari fase spinel LiMn2O4 beberapa kelompok penelitian telah mempelajari sifat-sifat mangan tersubstitusi LiMxMn2-xO4 [M = Cr, Co, Ni, Fe, dll]. Thackeray et al telah menunjukkan bahwa substitusi kation logam untuk Mn meningkatkan stabilitas spinels. Dalam penelitian ini, spinel nano LiMgxMn2-xO4 telah disiapkan melalui metode Sol-Gel. Magnesium terpilih sebagai bahan pengganti karena itu berat atom rendah dibandingkan dengan LiMn2O4.

Tujuan

Mendapatkan nano material agar kinerja dari fase spinel LiMn2O4 meningkat dengan cara menyisipkan logam magnesium (Mg) ke dalam material tersebut.

Metode

CH3COOLi.2H2O, Mg(CH3COO)2.4H2O, Mn(CH3COO)2.4H2O dan larutan asam sitrat

Aduk (stirring) secara konstan selama 6 jam

Clear transparent solution

Evaporasi pada

temperatur 80oC

Dark Pink Color resin

Keringkan Gel pada temperatur 175oC

Black colored solid mass

Kalsinasi pada temperatur 800oC selama 6 jam

Bubuk Kristal NanoLiMn1.5Mg0.5O4

Hasil dan Pembahasan

Analisi Termal

Gambar 2 menunjukkan TGA yang khas dan DTA kurva bubuk LiMn1.5Mg0.5O4. Kurva TGA yang memperlihatkan tiga langkah penurunan massa yang berbeda dan kurva DTA menunjukkan satu puncak endotermik dan eksotermik puncak.

Difraksi sinar-X

Gambar 3 menunjukkan pola difraksi sinar-X dari bubuk LiMn1.5Mg0.5O4, dikalsinasi pada 800oC. Puncak difraksi yang lebih tajam, lebar puncak yang sempit dan posisi yang menunjukkan peningkatan kristalinitas dan pembentukan fasa tunggal dikonfirmasi. Tahap kristal sampel diidentifikasi dari data XRD, yang sebagai suatu struktur tulang belakang memerintahkan diindeks oleh kubik Fd-3m dan tidak ada produk sekunder lainnya yang dideteksi. Fakta ini menunjukkan bahwa situs Mn dalam LiMn2O4 diganti penuh oleh Mg. Untuk LiMn1.5Mg0.5O4, parameter kisi 'a' (8.2211Ao) dihitung dengan menggunakan setidaknya metode fit persegi. Menurut literatur, penurunan ini disebabkan oleh peningkatan konsentrasi Mn4+ ion dalam struktur spinel sebagai ion Mn3+ diganti oleh ion Mg2+.

SEM dan TEM

Gambar 4 menunjukkan gamabar SEM dan TEM bubuk LiMn1.5Mg0.5O4. Gambar juga menunjukkan morfologi khas untuk serbuk-siap. Partikel-partikel memiliki ukuran rata-rata sekitar 100-150 nm dan menunjukkan distribusi partikel seragam. Tapi dari kedua gambar, itu jelas terlihat bahwa aglomerasi yang terjadi di antara partikel. Juga, baik di gambar TEM dan SEM, bubuk dibuat dengan metode Sol-Gel memiliki bentuk teratur dengan wajah kristal didefinisikan dell. Terutama, dalam gambar SEM, partikel menunjukkan kristal tunggal

bentuk oktahedral dengan berkembang dengan baik [111] pesawat. Hal ini menunjukkan bahwa produk tersebut dalam keadaan kristal yang baik. Kehadiran void menunjukkan bahwa produk yang keropos di alam dan memfasilitasi akses mudah elektrolit baterai untuk meningkatkan jumlah situs aktif yang menguntungkan untuk aktivitas baterai yang baik.

Siklus Voltametri

Dalam rangka untuk mengevaluasi karakteristik elektrokimia dari bubuk siap yang telah disisipkan ion Mg, serangkaian tes elektrokimia dilakukan. Gambar 5 menunjukkan voltamogram siklus dari LiMn1.5Mg0.5O4 bubuk pada tingkat scan 0.1mVs-1. Seperti dapat dilihat pada Gbr.4 setiap puncak reversibel yang halus dan tajam diperoleh. Di wilayah 4.5V, puncak yang diperoleh yang menunjukkan jumlah maksimum ion Mg yang diolah dengan Mn. Selama proses elektrokimia, oksidasi dan pengurangan Mg bertanggung jawab atas 4.5V yang ditumpangkan dalam beberapa puncak redoks Mn3+ / Mn4+, dibandingkan dengan LiMn2O4 puncak arus tinggi (1.467mA).

Charge/discharge

Profil charge-discharge tipe awal Li/LiMn1.5Mg0.5O4 sel diperoleh sebagai fungsi dari kadar Mg dalam LiMn1.5Mg0.5O4 (Gbr.6). Pada akhir siklus pertama, penurunan kapasitas dari 140 sampai 128mAhg-1. Kapasitas memudar adalah hampur 12% dalam kapasitas aslinya. Setelah siklus ke-100, kapasitas menurun sangat minim dibandingkan dengan siklus pertama menurun hanya 10% dari kapasitas. Hal ini disebabkan oleh pembentukan lapisan pasif pada permukaan elektroda. Oleh karena itu, substitusi Mg mengurangi kerugian tersebut dan meningkatkan kapasitas. Bubuk dibuat dengan metode Sol-Gel, memiliki kapasitas awal yang sangat baik.

Kesimpulan

Elektro aktif nano LiMn1.5Mg0.5O4 spinel telah disintesis dengan metode sol-gel menggunakan asam sitrat sebagai zat pengkelat dengan kalsinasi berikutnya pada 800oC selama 6 jam. Bubuk disintesis memiliki morfologi bulat baik dan ukuran partikel yang seragam. Analisis difraksi sinar-X serbuk menunjukkan bahwa sampel adalah fase tunggal murni dan kristalisasi yang baik. Kapasitas debit awal LiMn1.5Mg0.5O4 spinel di C/10 rate 140 mAhg-1 dan memiliki kestabilan siklus yang baik.

Daftar Pustaka

M.M.Thackeray, in: R.T.Brodd (Ed) Programme, Batteries. Battery material, Lithium ionBattery Technology, Vol 141

S.H.Park, S.W.Oh, S.T.Myung, Y.C.Kang, Y.K.Sun, Solid State Ionics, 176 (2005) 481