Synthesis Of Fe Doped LiMn2O4 Cathode Materials For Li Battery By Solid State Reaction

LiFe_0.1Mn_1.9O₄ is expected as a cathode material for the rechargeable lithium-ion batteries. LiMn₂O₄ has been received attention because this has advantages such as low cost and low toxicity compared with other cathode materials of LiCoO₂ and LiNiO₂. However, LiMn₂O₄ has some problems such as small capacity and no long life. LiMn₂O₄ is phase transformation at around human life temperature. One of the methods to overcome this problem is to stabilize the spinel structure by substituting Mn site ion in LiMn₂O₄ with transition metals (Al, Mg, Ti, Ni, Fe, etc.). LiFe_0.1Mn_1.9O₄ spinel was synthesized from Li₂CO₃, Fe₂O₃ and MnO₂2 powder. The purpose of this study is to report the optimal condition of Fe doped LiFe_0.1Mn_1.9O₄. Li₂CO₃, Fe₂O₃, and MnO₂ mixture powder was heated up to 1173 K by TG-DTA. Li₂CO₃ was thermal decomposed, and CO₂ gas evolved, and formed Li₂O at about 800 K. LiFe_0.1Mn_1.9O₄ was synthesized from a consecutive reaction Li₂O, Fe₂O₃ and MnO₂ at 723 ~ 1023 K. Active energy is calculated to 178 kJmol⁻¹ at 723 ~ 1023 K. The X-ray powder diffraction pattern of the LiFe_0.1Mn_1.9O₄ heated mixture powder at 1023 K for 32 h in air flow was observed.

LiFe_0.1Mn_1.9O₄ jest obiecującym materiałem katodowym do zastosowania w bateriach litowo-jonowych z możliwością wielokrotnego ładowania. LiMn₂O₄ cieszy się dużym zainteresowaniem z powodu niskiego kosztu otrzymywania oraz niskiej toksyczności w porównaniu z innymi materiałami katodowymi typu LiCoO₂ and LiNiO₂ czy LiNiO₂. Jednak LiMn₂O₄ posiada również wady: niską pojemność i krótką żywotność. Dodatkowo, przemiana fazowa LiMn₂O₄ zachodzi w temperaturze pokojowej. Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest stabilizacja struktury spinelu poprzez podstawienie jonu Mn w sieci LiMn₂O₄ metalami przejściowymi (Al, Mg, Ti, Ni, Fe, itp.). Spinel LiFe_0.1Mn_1.9O₄ syntezowano z proszków Li₂CO₃, Fe₂O₃ i MnO₂2. Celem badań było znalezienie optymalnych warunków syntezy spinelu LiFe_0.1Mn_1.9O₄ domieszkowanego Fe. Mieszaninę proszków Li₂CO₃, Fe₂O₃ i MnO₂ poddano analizie TG-DTA. W temperaturze 800 K Li₂CO₃ uległ rozkładowi termicznemu, w wyniku czego powstało CO₂ i Li₂O. LiFe_0.1Mn_1.9O₄ zsyntezowano w wyniku reakcji następczej pomiędzy Li₂O, Fe₂O₃ i MnO₂ w temperaturze 723 ~ 1023 K. Energię aktywacji oszacowano na 178 kJmol⁻¹ w zakresie temperatur 723 ~ 1023 K. Przeprowadzono także analizę XRD proszku LiFe_0.1Mn_1.9O₄ wygrzewanego w 1023 K przez 32 godz. w warunkach przepływu powietrza.