بررسي خواص ريزساختاري ماده كاتدي LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 پوشش داده شده با ليتيم زيركونات

با اينكه ماده كاتدي لايه اي LiNiCoMnO2 موسوم به NCM به دليل دارا بودن ظرفيت نسبتاً بالا و برگشت پذير و همچنين هزينه و سميت پايين به عنوان ماده كاتدي اصلي براي باتري هاي ليتيم-يون قابل شارژ شناخته شده است، اما چرخه كاري اين ماده در سرعت هاي شارژ-دشارژ بالا ناپايدار است و در دماهاي بالا نيز عملكرد ضعيفي از خود نشان مي دهد. روش پوشش دهي سطحي به عنوان يكي از روش هاي مؤثر در بهبود عملكرد ماده كاتدي NCM شناخته شده است. با توجه به اين كه خصوصيات ريزساختاري ماده كاتدي تأثير مستقيمي بر عملكرد الكتروشيميايي آن دارد، بررسي تغييرات ريزساختاري حاصل از فرآيند پوشش دهي از اهميت خاصي برخوردار است. در تحقيق حاضر ماده كاتدي تجاري LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 با ماده ليتيم زيركونات (Li2ZrO3) در مقادير 1، 3 و 5 درصد وزني پوشش داده شد. براي اين منظور براي اولين بار از پيش ماده نسبتاً ارزان زيركونيم اكسي كلرايد 8 آبه (ZrOCl2.8H2O) و روش سلژل در محيط آبي استفاده شد. سپس از لحاظ ريزساختاري مورد مشخصه يابي قرار گرفت. مطابق با نتايج حاصل از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي، نمونه با 1% وزني از ماده پوشش بالاترين ميزان يكنواختي ماده پوشش روي ذرات ماده كاتدي را نشان داد. براي نمونه مذكور، بر اساس نتايج آناليز پراش اشعه ايكس و استفاده از روش كوهن براي محاسبه ثوابت شبكه، براي نمونه با 1% وزني ماده پوشش، شاخص نسبت ثوابت شبكه c/a بالاتر از عدد 4.9 به دست آمد كه دلالت بر منظم بودن ساختار ماده كاتدي است. همچنين، اختلاف ثوابت شبكه ماده كاتدي با 1% وزني ماده پوشش با ميانگين ثوابت شبكه گزارش شده براي ماده كاتدي بدون پوشش براي ثوابت a و c به ترتيب 0.0015 و 0.0456 آنگستروم به دست آمد و مشخص شد كه كمترين تغيير را نسبت به مقادير 3 و 5% وزني در ساختار ماده كاتدي ايجاد كرده است. همچنين مطابق با نتايج حاصل از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني عبوري، در نمونه با 1% وزني ماده پوشش، حضور لايه پوشش به ضخامت حدود 15 تا 20 نانومتر با يك مرز قابل رؤيت بين هسته از جنس ماده كاتدي و پوسته از جنس ماده ليتيم زيركونات اثبات شد. در مجموع نتايج تحقيق نشان داد كه لايه پوشش ليتيم زيركونات به مقدار 1% وزني كمترين تغيير در ساختار بلوري ماده كاتدي را ايجاد مي كند و از اين رو، اين مقدار ماده پوشش را مي توان به عنوان مقدار بهينه درنظرگرفت.