Microwave-assisted sinthesys of LiMn2O4, characterization and testing as cathode for energy storage devices

Óxido de manganês litiado - LiMn2O4 - foi produzido por uma rota de síntese diferenciada, a síntese de estado sólido assistida por microondas. Misturas sólidas contendo LiOH.H2O e -MnO2, sintetizado eletroliticamente, foram irradiadas por microondas durante 3, 4 e 5 min. O material obtido foi caracterizado por difratometria de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e voltametria cíclica. Também foram realizadas medidas de condutividade e testes de carga e descarga com a mistura: 85% LiMn2O4 / 10% negro de acetileno / 5% PVDF. As análises de DRX indicaram que LiMn2O4 foi obtido com estrutura cúbica pertencente ao grupo espacial Fd3m em apenas 3 min de irradiação de microondas. O reduzido tempo de síntese do espinélio representa uma economia energética superior a 90%, quando comparado com o tempo empregado no método tradicional de síntese. As micrografias de MEV mostraram alterações de morfologia, bem como aumento no tamanho de partícula conforme é aumentado o tempo de irradiação por microondas. A condutividade eletrônica da mistura (85% LiMn2O4 / 10% negro de acetileno / 5% PVDF) é da ordem daquela de um material semicondutor (σ ~ 10-1 S m-1), adequada para sua utilização como catodo em bateria de íons lítio. Os testes de carga e descarga mostraram que os óxidos obtidos a diferentes tempos apresentam boa estabilidade eletroquímica, com queda de capacidade específica durante 30 ciclos de carga e descarga variando de 12 a 17%. Entretanto, o LiMn2O4 produzido a 3 min por irradiação de microondas apresentou o maior fornecimento de carga (77 93 mA h g-1) quando os óxidos foram testados a uma elevada taxa de descarga (C/1). Além disso, este material destacou-se por apresentar uniformidade morfológica e o menor tamanho de partícula (~1 μm).Lithium manganese oxide - LiMn2O4 - was produced by a microwaveassited solid state reaction. Solid mixtures containing LiOH.H2O and -MnO2 (synthesized electrolytically) underwent microwave irradiation for 3, 4 and 5 min. The obtained material was characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy and cyclic voltammetry. Conductivity measurements and charge / discharge tests were carried out with the mixture: 85% LiMn2O4 / 10% carbon black / 5% PVDF. XRD analyses showed that LiMn2O4 was obtained in a single phase of cubic structure belonging to the space group Fd3m in only 3 min of microwave irradiation. This short time for the LiMn2O4 synthesis represents an energy saving greater than 90% when compared with the time employed in the traditional method of synthesis. SEM micrographs showed morphological changes and particle size increase when the microwave irradiation time was increased. The mixture (85% LiMn2O4 / 10% carbon black / 5% PVDF) presented electronic conductivity similar to that of a semiconductor (σ ~ 10-1 S m-1), which is adequate for using as cathode in lithium ion battery. Charge and discharge tests showed good electrochemical stability for all the oxides synthesized at different times, evidenced by a small decrease (12 to 17%) of their specific capacities during 30 cycles of charge and discharge. The oxide produced at 3 min of microwave irradiation presented the highest charge supply (77 93 mA h g-1) at an elevated discharge rate (C/1), besides a highly uniform morphology and the lowest particle size (~1 μm)