Tổng hợp oxit natri-liti-mangan-coban với cấu trúc lớp loại p2 bằng phương pháp phản ứng pha rắn ứng dụng chế tạo pin natri-ion

TÓM TẮT:

Oxit kim loại kiềm - chuyển tiếp được đánh giá là một trong những vật liệu tiềm năng ứng dụng làm điện cực dương trong pin Na-ion. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã tổng hợp thành công oxit natri-liti-mangan-coban (NLMCO) với cấu trúc lớp loại P2 bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Vật liệu NLMCO có dung lượng riêng phóng điện cực đại đạt 107 mAh/g tại mật độ dòng 5 mA/g và thể hiện tính chu kỳ vượt trội, duy trì 98% dung lượng riêng sau 100 chu kỳ nạp xả liên tục. Đặc biệt, vật liệu NLMCO vẫn duy trì được tính thuận nghịch cao và dung lượng riêng phóng điện đạt 66 mAh/g khi nạp/ xả ở mật độ dòng cao (50 mA/g). Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu oxit natri-liti-mangan-coban phù hợp để chế tạo điện cực dương dùng trong pin Na-ion.

Từ khóa: oxit kim loại kiềm - chuyển tiếp, phản ứng pha rắn, Natri-liti-mangan-coban oxit, pin natri-ion.

1. Đặt vấn đề

Pin Li-ion đã được giới thiệu từ những năm cuối của thế kỷ 20 và trở thành linh kiện tích trữ năng lượng tốt nhất cho đến nay [1,2]. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu liti trong vỏ trái đất rất hạn chế (chỉ chiếm khoảng 0.0017%) [3, 4]. Chính vì thế, cần tìm ra những thiết bị tích trữ năng lượng mới để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của nhân loại. Hiện nay, pin natri-ion (Na-ion) là một sự lựa chọn tốt để thay thế pin Li-ion bởi vì cả 2 nguyên tố Na và Li cùng một nhóm trong bảng hệ thống tuần hoàn, cùng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có mật độ thấp, giống nhau về tính chất vật lý, hóa học. Do vậy, nghiên cứu pin Na-ion là một hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới.

Các nghiên cứu liên quan đến pin Na-ion chủ yếu tập trung vào vật liệu cực dương. Hiện nay, vật liệu cực dương chủ yếu được chế tạo từ vật liệu trên cơ sở oxit kim loại kiềm - chuyển tiếp, vật liệu pyrophosphate, vật liệu prussian blue. Trong số các vật liệu điện cực dương, vật liệu oxit kim loại kiềm - chuyển tiếp với cấu trúc lớp AMO₂ (trong đó, A đại diện cho các kim loại kiềm như Li, Na; M đại diện cho các kim loại chuyển tiếp như Mn, Co, Ni, Fe) đã nhận được sự quan tâm đặc biệt vì là vật liệu điện cực dương đầy hứa hẹn cho pin natri-ion. Ví dụ như vật liệu O3-NaMnO₂ với cấu trúc đơn tà có dung lượng riêng đạt 185 mAh/g tại 0,1C và duy trì 71% dung lượng sau 20 chu kỳ [5]; vật liệu P2-Na_0.6MnO₂ được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel cung cấp dung lượng riêng là 140 mAh/g ở tại 0.1 C nhưng dung lượng riêng chỉ giữ lại 75 mAh/g sau 9 chu kỳ [6]. Có thể thấy, tính chu kỳ của vật liệu cực dương trong pin Na-ion còn rất hạn chế nên cần cải thiện hiệu suất chu kỳ của vật liệu cực dương nói chung và vật liệu vật liệu oxit kim loại kiềm - chuyển tiếp nói riêng. Các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào thay đổi thành phần các nguyên tố, pha tạp thêm các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, pha tạp các nguyên tố kim loại kiềm như vật liệu O3-NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂ duy trì 76% dung lượng riêng 150 chu kỳ [7], vật liệu Na_1.0Li_0.2Mn_0.8O₂ duy trì 80 % dung lượng sau 100 chu kỳ nạp [8].

Trong nghiên cứu này, tác giả tiến hành tổng hợp vật liệu oxit kim loại kiềm - chuyển tiếp trên cơ sở natri-liti-mangan-coban oxit (NLMCO) bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Vật liệu NLMCO cung cấp dung lượng riêng đạt 107 mAh/g tại mật độ dòng 5 mA/g, đồng thời nó cũng thể hiện tính chu kỳ vượt trội (duy trì 98 % dung lượng riêng so với chu kỳ đầu tiên sau 100 chu kỳ nạp xả). Các đặc trưng điện hóa chỉ ra rằng, vật liệu NLMCO là một trong những vật liệu tiềm năng ứng dụng làm điện cực dương trong pin Na-ion.

2. Thực nghiệm

2.1. Hóa chất

Natri carbonate (Na₂CO₃); Liti carbonate (Li₂CO₃); Mangan carbonate (MnCO₃); Coban carbonate (CoCO₃); Natri kim loại (Na); Natri peclorate (NaClO₄); Carbon siêu dẫn (Supper P); Poly vinylidene fluoride (PVDF); N-metyl-2-pyrrolidon (NMP); Ethylene cacbonat (EC); Dietyl cacbonat được cung cấp bởi Công ty Sigma - Aldrich. Tất cả các hóa chất được sử dụng là loại phân tích và không cần tinh chế thêm.

2.2. Tổng hợp vật liệu

Vật liệu natri-liti-mangan-coban oxit (NLMCO) được điều chế theo phương pháp phản ứng pha rắn. Các tiền chất sử dụng là các muối natri cacbonat, liti cacbonat, mangan cacbonat, coban cacbonat. Khối lượng các chất được sử dụng sao cho tỷ lệ mol giữa các nguyên tử Na: Li: Mn: Co = 2/3: 1/3: 0,9: 0,1 để tạo thành vật liệu cấu trúc lớp với công thức phân tử Na_2/3Li_1/3Mn_0,9Co_0.1O₂. Trình tự các bước tiến hành thí nghiệm cụ thể như sau:

Bước 1: Cân 0,406 gam Li₂CO₃ (5,5 mmol), 1,166 gam Na₂CO₃ (11 mmol), 3,104 gam MnCO₃ (27 mmol) và 0,357 gam CoCO₃ (3 mmol). Các muối này được nghiền trộn trong cối mã não trong khoảng thời gian 1 giờ.

Bước 2: Hỗn hợp rắn ở bước một được chuyển vào thuyền nhôm oxit và đặt vào lò nung để xử lý nhiệt lần 1 ở nhiệt độ 600^oC trong 2 giờ trong môi trường không khí. Sau khi kết thúc thời gian nung, hỗn hợp được lấy ra và nghiền thu được hỗn hợp rắn có màu nâu.

Bước 3: Hỗn hợp rắn ở bước 2 được chuyển vào thuyền nhôm oxit và đặt vào lò nung để xử lý nhiệt lần 2 ở nhiệt độ 850^oC trong 20 giờ trong môi trường không khí. Cuối cùng thu được vật liệu điện cực dương Na_2/3Li_1/3Mn_0,9Co_0.1O₂ có màu đen và được bảo quan trong buồng khí trơ.

2.3. Các phép đo đạc và phân tích

Tính chất đặc trưng của vật liệu được xác nhận thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) và ICP-OES. Hiệu suất điện hóa của vật liệu NLMCO được đánh giá trên pin Na-ion dạng cúc áo (CR2032) thông qua phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV), nạp xả dòng không đổi (GCD) và phổ tổng trở điện hóa (EIS).

Pin Na-ion CR2032 được chế tạo trong một hộp găng tay chứa đầy argon (Glove box) với nồng độ O₂ và H₂O nhỏ hơn 0,1 ppm; pin gồm một điện cực làm việc được chế tạo từ vật liệu NLMCO, một điện cực là lá natri kim loại, màng polypropylene (PP) đóng vai trò là lớp phân cách 2 điện cực, dung dịch NaClO₄ 1M trong hỗn hợp etylen cacbonat/dietylen cacbonat (EC/DEC, 1:1 theo thể tích) làm chất điện ly. Để chuẩn bị điện cực làm việc, vữa đồng nhất được tạo ra bằng cách trộn vật liệu hoạt động, carbon siêu dẫn (Supper P) và PVDF (tỷ lệ % khối lượng 80:10:10) trong một lượng nhỏ dung môi NMP. Vữa đồng nhất được phủ đều trên một lá nhôm bằng thiết bị phủ điện cực (Tape coating) với độ dầy 15 µm và được sấy khô ở 100°C trong tủ sấy chân không trong 12 giờ.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Tính chất đặc trưng

Kết quả XRD của vật liệu NLMCO được thể hiện trong Hình 1. Tất cả các đỉnh nhiễu xạ quan sát được đều sắc nét và rõ ràng cho thấy các vật liệu tổng hợp có độ kết tinh cao. So sánh với dữ liệu phổ XRD chuẩn JCPDS số 27-0751, các đỉnh nhiễu xạ chính của vật liệu NLMCO xuất hiện tại 16,01; 22,5; 31,22; 36,73; 37,67; 39,35; 44,10; 49,07; 62,52; 64,44 và 67,02^o lần lượt tương ứng với các mặt mạng tinh thể (002), (1/3 1/3 1), (004), (100), (101), (102), (103), (104), (106), (110) và (108) của cấu trúc lục giác P2, thuộc nhóm không gian P6₃/mm. Kết quả XRD của vật liệu NLMCO tương tự như các kết quả khác công bố cho các vật liệu cùng loại như Na_0.6Li_0.2 Mn_0.8O₂ [9], Na_2/3Li_1/6Mn_5/6O₂ [10]. Ngoài ra, xuất hiện 2 đỉnh nhiễu xạ yếu tại 19,1 và 44,8^o tương ứng với mặt các mặt mạng tinh thể của cấu Li_0.34Mn₂O₄ (PDF-00-057-0721). Kết quả trên cho thấy, vật liệu NLMCO có cấu trúc đa, sự xuất hiện thành phần pha Li_0.34Mn₂O₄ trong vật liệu NLMCO có thể do dư hàm lượng ion liti trong quá trình xảy ra phản ứng pha rắn. (Hình 1)

Hình thái học của vật liệu được xác định thông qua phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kết quả được thể hiện trong Hình 2 (a-d). Kết quả cho thấy, vật liệu NLMCO có dạng hình đa diện với kích thước dao động trong khoảng rộng từ 2 đến 6 μm, trong đó kích thước tập trung chủ yếu khoảng 4 đến 5 μm. Kích thước hạt của vật liệu lớn và không đồng đều là quá trình do bản chất của phương pháp tổng hợp vật liệu là phản ứng pha rắn, ở đó quá trình hình thành tinh thể ở trạng thái rắn và không có mặt chất hoạt động bề mặt.

 

Thành phần nguyên tử trong vật liệu NLMCO được xác nhận thông qua phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và kết quả được thể hiện trong Hình 2.e. Hình 2.e cho thấy, sự xuất hiện các nguyên tố Na, Mn, Co và O trong vật liệu NLMCO; nguyên tố Li không xuất hiện là do bản chất phép đo EDX không xác định được nguyên tố có khối lượng phân tử nhỏ như Li. Tuy nhiên, nguyên tố Li được quan sát thấy cùng Na, Mn và Co khi tiến hành phân tích ICP-OES. Tỷ lệ Li/Na/Mn/Co của vật liệu NLMCO được tính toán từ kết quả ICP-OES là 0,65/0,32/0,85/0,15; kết quả này tương đối phù hợp với tỷ lệ nguyên tử của Na⁺/Li⁺/Mn²⁺/Co²⁺ trong hỗn hợp muối ban đầu. Các kết quả XRD, SEM, EDX và ICP - OES xác nhận oxit natri-liti-mangan-coban với cấu trúc lớp loại P2 đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp đơn giản.

3.2. Tính chất điện hóa

Hình 3.a là kết quả đường quét thế vòng tuần hoàn CV của pin Na-ion được chế tạo từ vật liệu NLMCO tại tốc độ quét 0,2 mV/s trong khoảng thế từ 1,5 đến 4,1 V. Kết quả phân tích CV cho thấy, vật liệu NLMCO có hiệu suất chu kỳ tốt và ổn định cấu trúc, điều này được thể hiện thông qua các đường CV của 3 vòng đầu tiên được chồng lên nhau. Trên đường CV xuất hiện cặp đỉnh pic rộng tại khoảng điện áp 1,6 V/ 2,2 V tương ứng với phản ứng oxy hóa khử của cặp Mn⁴⁺/ Mn³⁺ [11, 12]; các đỉnh pic này có xu hướng dịch chuyển lần lượt về phía bên trái và bên phải ở vòng thứ 2 và thứ 3. Giá trị điện áp này có sự sai lệch so với thế oxy hóa - khử chuẩn của cặp Mn⁴⁺/Mn³⁺ (2,0 V/ 2,4 V), những phân tích này cho thấy vật liệu NLMCO có sự phân cực điện cực trong quá trình làm việc và sự phân cực này tăng lên trong các chu kỳ tiếp theo. Ngoài ra, một cặp đỉnh píc với cường độ yếu cũng được quan sát thấy tại khoảng thế 3,0 V/ 3,2 V tương ứng với quá trình chuyển pha trong vật liệu [6, 11]. Các đỉnh pic trên đường CV hoàn toàn phù hợp với các khoảng cao nguyên điện áp quan sát được trên đường nạp tại 2,6 V và 3,7 V; đường phóng điện tại 2 V và 3,7 V (Hình 3.b).

Hình 3.b là đường nạp xả của 3 chu kỳ đầu tiên cho thấy, các đường nạp xả gần như trùng nhau và phù hợp với quan sát trước đó trên đường CV. Dung lượng riêng nạp/ xả của 3 chu kỳ đầu tiên lần lượt là 113,4/ 105,8; 113,6/ 104,1; 111,8/ 104,4 mAh/g. Dung lượng riêng phóng điện của vật liệu NLMCO là tương đương với một số vật liệu tương tự đã được công bố ứng dụng chế tạo pin Na-ion như vật liệu Na_2/3Mn_0.67Ni_0.22Cu_0.05Ti_0.02Al_0.02O₂ [13] có dung lượng riêng là 107 mAh/g, Na_0.67Mn_0.65Ni_0.2Mg_0.15O₂ [14] có dung lượng riêng là 105 mAh/g. Tính chu kỳ của vật liệu NLMCO được đánh giá bằng cách lặp lại phép đo nạp/ xả 100 chu kỳ liên tiếp tại mật độ dòng 5 mA/g và kết quả được thể hiện trong Hình 3.d. Sau 100 chu kỳ, dung lượng riêng phóng điện của vật liệu vẫn duy trì lên đến 103,7 mAh/g (tương ứng với 98% dung lượng riêng phóng điện của chu kỳ đầu tiên) cho thấy hiệu suất chu kỳ của vật liệu NLMCO tốt hơn so với một số loại vật liệu khác đã được báo cáo trước đây [2, 8, 15]. Ngoài ra, Hình 3.b cho thấy hiệu suất Colong của vật liệu NLMCO và ổn định sau khoảng 20 chu kỳ nạp/ xả và duy trì trong khoảng từ 88 đến 90 %. Sự vượt trội về hiệu suất chu kỳ của vật liệu NLMCO có thể đến từ việc thay thế ion coban vào vị trí của ion mangan và ion liti vào vị trí của ion natri; việc thay thế này dẫn đến cấu trúc lớp thuận lợi hơn trong quá trình xen cài và khử xen cài ion Na⁺, điều này cũng được quan sát thấy trong một số vật liệu tương tự như vật liệu NaLi_0.2Mn_0.8O₂ [8], Na_1.0Li_0.2Mn_0.7Ti_0.1O₂ [16], Na_1.0Fe_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂ [7].

Tốc độ nạp xả của vật liệu cũng đánh giá bằng cách thực hiện liên tiếp phép phân tích GCD tại các mật độ dòng khác nhau (5 mA/g, 10 mA/g, 20 mA/g, 30 mA/g, 40 mA/g và 50 mA/g), kết quả được thể hiện trong Hình 3.c. Kết quả cho thấy, dung lượng riêng phóng điện của vật liệu giảm đáng kể khi mật độ dòng tăng, cụ thể: dung lượng riêng phóng điện của vật liệu NLMCO tại mật độ dòng 5 mA/g, 10 mA/g, 20 mA/g, 30 mA/g, 40 mA/g và 50 mA/g lần lượt duy trì trong khoảng 103, 81, 74, 71, 70 và 66 mAh/g. Hiện tượng giảm dung lượng riêng khi mật độ dòng tăng liên quan đến động học của phản ứng điện hóa xảy ra trong pin. Cụ thể hiệu suất điện hóa của phản ứng điện hóa trong pin sẽ cao hơn khi phản ứng điện hóa xảy ra chậm [16, 17]. Hiệu suất chu kỳ vượt trội của vật liệu NLMCO không chỉ duy trì tại mật độ dòng thấp, mà còn duy trì ở mật độ dòng cao. Điều này được thể hiện thông qua dung lượng riêng phóng điện của các chu kỳ liên tiếp tại mật độ dòng cao thay đổi không đáng kể và khi quá trình nạp xả quay trở lại mật độ dòng thấp (5 mA/g) dung lượng riêng phóng điện của vật liệu vẫn còn trên 90 mAh/g.

Phép đo EIS được thực hiện trong tần số dải tần từ 0,5 đến 10⁶ Hz với biên độ dòng điện xoay chiều là 20 mV và kết quả được hiển thị trong Hình 4. Hình 4.a cho thấy, biểu đồ Nyquist của vật liệu NLMCO bao gồm một hình bán nguyệt ở dải tần cao và một đường nghiêng ở dải tần thấp. Hình bán nguyệt có liên quan đến điện trở truyền điện (R_ct) ở mặt phân cách điện cực-chất điện phân và tính không đồng nhất của bề mặt điện cực. Điểm giao nhau bên trái của hình bán nguyệt trong quang phổ EIS với trục thực (Z’) tương ứng với điện trở Ohmic (R_s) của tế bào, ở đó R_s bao gồm điện trở của vật liệu điện cực, điện trở của bề mặt phân chia pha giữa vật liệu điện cực/ bộ thu dòng, điện trở của chất điện ly dung dịch [8, 16, 17]. Phần giao nhau bên phải của hình bán nguyệt với trục thực là tổng giá trị của R_s và R_ct (R_s + R_ct) [8].

Đường nghiêng trong dải tần số thấp được gán cho Warburg trở kháng (W) của vật liệu, thể hiện sự khuếch tán của ion Na⁺. Sơ đồ mạch tương đương bao gồm các thành phần mạch điện và giá trị tương ứng được xác định bằng phương pháp fit mạch điện tương đương trên phần mềm Nova 1.11 và kết quả thể hiện trong Hình 4.b, theo đó giá trị R_s và R_ct của vật liệu NLMCO lần lượt là 6,02 và 67,0 Ω; giá trị này hoàn toàn phù hợp với những quan sát trên phổ Nyquist. Với những đặc trưng điện hóa trên, vật liệu oxit kim loại kiềm - chuyển tiếp NLMCO sẽ là một trong những vật liệu cực dương tiềm năng ứng dụng chế tạo pin Na-ion.

4. Kết luận

Vật liệu oxit natri-liti-mangan-coban (NLMCO) với cấu trúc lớp loại P2 đã được tổng hợp thành công thông qua phương pháp phản ứng pha rắn. Tính chất đặc trưng của vật liệu NLMCO đã được nghiên cứu một cách hệ thống và đầy đủ. Kết quả phân tích điện hóa của vật liệu cho thấy, mặc dù vật liệu NLMCO có dung lượng riêng là tương đương với các vật liệu cùng loại nhưng tính chu kỳ vượt trội hơn. Những đặc tính điện hóa vượt trội của vật liệu NLMCO có thể được giải thích bởi tác dụng hiệp đồng sự thay thế của Li vào vị trí của Na và Co vào vị trí của Mn trong cấu trúc của vật liệu. Kết quả nghiên cứu này cho thấy, vật liệu oxit natri-liti-mangan-coban là một vật liệu cực dương đầy hứa hẹn cho ứng dụng chế tạo pin Na-ion trong thực tế.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Yoon, C.S., et al. (2018). Self-Passivation of a LiNiO2 Cathode for a Lithium-Ion Battery through Zr Doping. ACS Energy Letters, 3(7), 1634-1639.
2. Park, K.-J., et al. (2018). High-Capacity Concentration Gradient Li[Ni 0.865 Co 0.120 Al 0.015 ]O 2 Cathode for Lithium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials, 8, 1703612.
3. Han, M.H., et al. (2014). Structural evolution and electrochemistry of monoclinic NaNiO2 upon the first cycling process. Journal of Power Sources, 258, 266-271.
4. Cao, C., et al. (2013). Sodium-ion batteries using ion exchange membranes as electrolytes and separators. Chemical Communications, 49(100), 11740-11742.
5. Zhang, R., et al. (2018). First-principles investigation of the monoclinic NaMnO2 cathode material for rechargeable Na-ion batteries. Current Applied Physics, 18(11), 1431-1435.
6. Caballero, Á., et al. (2002). Synthesis and characterization of high-temperature hexagonal P2Na0.6 MnO2 and its electrochemical behaviour as cathode in sodium cells. Journal of Materials Chemistry, 12, 1142-1147.
7. Kim, D., et al. (2012). Layered Na[Ni1/3Fe1/3Mn1/3]O2 cathodes for Na-ion battery application. Electrochemistry Communications, 18, 66-69.
8. Van Nghia, N., P.-W. Ou, and I.M. Hung (2015). Synthesis and Electrochemical Properties of Sodium Manganese-based Oxide Cathode Material for Sodium-ion Batteries. Electrochimica Acta, 161, 63-71.
9. Du, K., K.S. Ryu, and G. Hu (2013). Layered Lithium-Sodium Manganese Oxide as a Cathode Material for Lithium Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 2, A36-A38.
10. Paulsen, J.M., C.L. Thomas, and J.R. Dahn (1999). Layered Li-Mn-Oxide with the O2 Structure: A Cathode Material for Li-Ion Cells Which Does Not Convert to Spinel. Journal of The Electrochemical Society, 146(10), 3560-3565.
11. Su, D., et al. (2013). Single Crystalline Na0.7MnO2 Nanoplates as Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries with Enhanced Performance. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany), 19.
12. Buchholz, D., et al. (2013). Toward Na-ion Batteries-Synthesis and Characterization of a Novel High Capacity Na Ion Intercalation Material. Chemistry of Materials, 25(2), 142-148.
13. Fu, F., P. Liu, and H. Wang (2019). Multicomponent P2-type Na2/3Mn0.67Ni0.22Cu0.05Ti0.02Al0.02O2 as an ultralong cycle-life and superior rate cathode for sodium-ion batteries. Materials Letters, 253, 124-127.
14. Wen, Y., et al. (2019). Probing into the working mechanism of Mg versus Co in enhancing the electrochemical performance of P2-Type layered composite for sodium-ion batteries. Nano Energy, 60, 162-170.
15. Carlier, D., et al. (2011). The P2-Na2/3Co2/3Mn1/3O2 phase: Structure, physical properties and electrochemical behavior as positive electrode in sodium battery. Dalton Transactions, 40, 9306.
16. Nguyen, T., et al. (2020). P2-type layered structure Na1.0Li0.2Mn0.7Ti0.1O2 as a superb electrochemical performance cathode material for sodium-ion batteries. Journal of electroanalytical chemistry, 880.
17. Nguyen, T.V., et al. (2020). One-step solvothermal synthesis of mixed nickel–cobalt sulfides as high-performance supercapacitor electrode materials. Journal of Alloys and Compounds, 831, 154921.

Synthesizing sodium-lithium-manganese-cobalt oxide with p2-type layered structure by using the solid-state reaction method with applications in the manufacture of sodium-ion batteries

Le Thi Vinh Hanh¹

Ngo Thi Lan¹

Duong Minh Tuan¹

Hoang Chau Thien²

Vu Minh Chau²

Mai Hong Duc²

Vu Anh Hung¹

To Van Nguyen¹

¹ Department of Chemical Engineering, Military Technology Academy

² Tuyen Quang Gifted High School

ABSTRACT:

Alkali-transition metal oxide is considered as a promising material for making cathode in sodium-ion batteries. This study successfully synthesizes sodium-lithium-manganese-cobalt oxide (NLMCO) which have a layered structure by using the solid phase reaction method. The NLMCO material has a maximum discharge specific capacity of 107 mAh/g at a current density of 5 mA/g and exhibits outstanding cyclicity, maintaining 98% of discharge specific capacity after 100 continuous charge-discharge cycles. Especially, the NLMCO material still maintains a high reversibility and discharge specific capacity reaching 66 mAh/g when it is charged/discharged at high current density (50 mA/g). With the above electrochemical properties, the sodium-lithium-manganese-cobalt oxide material is suitable for manufacture cathode electrodes using sodium-ion batteries.

Keywords: alkali transition-metal oxide, solid-state reaction, sodium-lithium-manganese-cobalt oxide, sodium-Ion batteries.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 25 tháng 11  năm 2022]