烧结温度对LiNi0.8Co0.15Al0.05O2结构和电化学性能的影响

引用本文

程波明, 杨金猛, 刘宝禄, 钟盛文. 烧结温度对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂结构和电化学性能的影响[J]. 有色金属科学与工程, 2018, 9(4): 47-52. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.04.008.

CHENG Boming, YANG Jinmeng, LIU Baolu, ZHONG Shengwen. Effect of sintering temperature on the structure and electrochemical properties of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2018, 9(4): 47-52.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.04.008.

烧结温度对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂结构和电化学性能的影响

[PDF全文]

程波明^a,b , 杨金猛^a,b , 刘宝禄^a,b , 钟盛文^a,b

a. 江西理工大学，材料科学与工程学院，江西赣州 341000;
b. 江西理工大学，江西省动力电池及其材料重点实验室，江西赣州 341000

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51372104);江西省科技计划资助项目(20151BBE50106)

通信作者：钟盛文(1963-)，男，教授，博导，主要从事锂离子电池及其材料方面的研究，E-mail：zhongshw@126.com

收稿日期：2018-05-15

摘要：采用共沉淀法+高温固相法，首次在740~820℃制备了一系列LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料，探讨温度变化对材料结构性能的影响.通过X射线分析仪、扫描电镜、电化学工作站、电池充放电测试系统表征材料性能.结果显示在780℃烧结出的材料有纯的六方晶相、层状结构优异，在2.75~4.2 V、0.1 C倍率获得188.11 mAh/g，0.5 C循环100次后容量稳定率为88.55 %，高于其他温度制备的材料; 经过不同倍率放电后，780℃烧结出的材料不可逆容量损失远低于其他温度制备的材料.

关键词：锂离子电池 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ 细化合成温度

Effect of sintering temperature on the structure and electrochemical properties of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂

CHENG Boming^a,b , YANG Jinmeng^a,b , LIU Baolu^a,b , ZHONG Shengwen^a,b

a. School of Materials Science and Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
b. Jiangxi Key Laboratory of Power Battery and Materials, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China

Abstract: A series of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ cathode materials were prepared at 740~820℃ by co-precipitation and high temperature solid phase method. The effect of small temperature changes on the structure and properties of the materials was investigated. The material properties were characterized by X ray analyzer, electrochemical workstation and battery charging and discharging test system. The results show that the material sintered at 780℃ has a pure hexagonal phase and is optimal in layered structure. It achieves 188.11 mAh/g at 2.75~4.2 V and 0.1 C rate. The capacity stability rate is 88.55 % after 0.5 C cycle for 100 times, which is higher than that of other temperature prepared materials. The irreversible capacity loss of materials sintered at 780℃ after different rate discharges is much lower than that of materials prepared at other temperatures.

Key words: lithium-ion battery LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ precise sintering temperature.

锂离子电池因比容量高、工作电压宽和安全性好被广泛应用于电动汽车及数码设备.产业化锂离子电池负极材料比容量已达350 mAh/g^[1]，正在研发的硅碳负极也突破600 mAh/g, 而商业化正极材料LiCoO₂比容量140 mAh/g、三元材料如：LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂^[2]、LiNi_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂、LiNi_0.6Mn_0.3Co_0.1O₂^[3]比容量只有150 mAh/g左右^[4]，LiNiO₂材料的比容量在185~220 mAh/g，然而LiNiO₂材料结构不稳定^[5]，电化学反应生成的Ni⁴⁺具有强氧化性，易与电解液发生副反应，导致容量衰减^[6].低容量正极材料已经影响了锂离子电池能量密度的提升，研发高容量正极材料是当务之急.

研究发现LiNiO₂掺杂金属离子锰^[7]、钴^[8]、铝^[9-10]等对其电化学性能有所改善.在这些掺杂中, 发现通过掺杂适量的铝和钴制备的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料实际比容量在180 mAh/g以上^[11-12]，掺杂Al³⁺和Co³⁺不仅稳定结构，增强循环性能，掺杂铝的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料稳定性比掺杂锰的LiNi_0.7Co_0.15Mn_0.15O₂材料更优异^[13]，地壳中铝含量丰富，因而LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂被认为是最有前景的正极材料之一^[14].但是LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂相对LiCoO₂仍有不足，在合成过程中也存在一些问题，比如镍、钴、铝的氢氧化物在水溶液中离子积常数相差甚远^[15-16]，前驱体金属离子含量分布不一致，镍离子错位和氧化难度大，且很难合成理想态的晶体结构，三价镍氧化过程中易与电解液生产副产物降低电池性能.合适的烧结温度对提升材料性能和降低生产成本有利，较优烧结温度的确定对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料产业化发展有重大意义.Qiu等^[17]采用固相法合成LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂烧结温度对其性能的影响，发现750℃能获得纯的六方相，0.2 C倍率、2.75~4.3 V首次放电比容量194 mAh/g，1 C倍率性能优于700℃和800℃; Xie等^[18]利用共沉淀法在800℃氧气气氛下获得的材料在3.0~4.3 V、0.1 C首次比容量203.1 mAh/g，1 C循环200次后保持率为93 %; 刘城^[19]实验发现650℃、900℃烧结后的材料均出现杂相，在750℃下获得性能较优的材料有182.1 mAh/g的首次放电比容量，800℃和850℃颗粒形貌严重偏离球型状形貌.

正极材料的结构对其电化学性能影响甚大，大多数文献在报道温度对结构性能的研究时，温度变化大，未能具体确定较优烧结温度.根据上述文献报道可以预判：LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料的较优烧结温度在750~800℃.但是相关文献对此温度区间的烧结实验报道较少, 通过缩小LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂的烧结温度区间进行改进，研究烧结温度对其结构和电化学性能的影响, 探讨LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料的较优烧结工艺, 得到电化学性能优异的正极材料，对基础研究数据进行补充, 期望促进正极材料尽快批量生产.

1 实验过程

选用氢氧化物共沉淀法将NiSO₄·6H₂O、CoSO₄·7H₂O、Al₂（SO₄）₃·18H₂O按镍：钴：铝原子量=0.8:0.15:0.05的摩尔比溶于去离子水溶液，与适量浓度的NaOH+NH₃·H₂O溶液同时逐渐滴入以去离子水为底液的密闭反应釜内，控制反应pH=10.5±0.2，通氮气保护、加热反应24 h，静止12 h后除去上清液，150℃干燥48 h获得D₅₀=10.45 μm的Ni_0.8Co_0.15Al_0.05（OH）₂前驱体.将Ni_0.8Co_0.15Al_0.05（OH）₂前驱体和LiOH·H₂O（过量8 %，指质量分数）按摩尔比称量，在玛瑙罐内用酒精湿混6 h后，65℃去除酒精后干混1 h，在氧气气氛下从室温以2℃/min的速率升至500℃保温6 h后、以2℃/min分别升至740℃、760℃、780℃、800℃、820℃条件下保温18 h, 自然降至室温.

1.1 结构、形貌表征

不同温度烧结获取的材料采用X射线衍射仪（XRD，日本理学MiniFlex 600，Cu靶，Kα射线，测试电压40 kV，电流15 mA）分析正极材料结构, 扫描速度10 °/min，扫描范围10 °~80 °.样品形貌采用德国ZEISS产EVO/MA10型扫描电镜表征.

1.2 电化学性能测试

干燥后的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂、导电炭黑（SP）、黏结剂（PVDF）按质量比92:3:5，在有机溶剂（NMP）中混合均匀后，涂覆在铝箔上获得60 μm厚的正极片，单质锂为负极，在氩气手套箱内组装成CR2032型纽扣电池.LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂为正极，裁剪成35 cm×3.5 cm石墨为负极裁剪成39 cm× 3.8 cm制成软包.

电池采用新威测试系统，在25℃、2.75~4.2 V、0.1 C（1 C=180 mA/g）化成一周，0.5 C循环5次后充电至3.9 V测试交流阻抗.软包电池在0.1 C化成后，0.5 C循环100次.

2 实验结果分析与讨论 2.1 烧结温度对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂晶体结构的影响

图 1所示为在不同烧结温度（740 ℃、760 ℃、780℃、800℃、820℃）下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料XRD谱图.LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂中的原子按ABCABC排列方式紧密堆积而成，锂占据层状结构的3a、金属离子占据3b、氧占据6c位置^[20].从XRD谱图看，5个不同烧结温度的材料峰位置基本一致，没有发生偏移现象，均符合α-NaFeO₂型六方层状结构特征，（006）和（102）、（108）和（110）峰分裂明显，表明层状结构发育完好，740 ℃~820 ℃温度适合LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂晶体材料的生长，资料显示I_（003）/I_（104）峰强比大于1.2时，表明Li⁺（半径为74pm）空位被Ni²⁺（半径为70pm）占用程度低^[21-22].5种温度制备的材料其I_（003）/I_（104）峰强比均大于1.4，其中780℃条件下制备的材料峰强度最高，表明780 ℃和18 h条件下合成出的材料Ni²⁺/Li⁺占用程度低，Li⁺损失量少，Ni²⁺到Ni³⁺的氧化率高，层状结构最完整.表 1是材料的晶胞参数计算值，c值和a值出现细微变化，c/a值均大于4.9, 表明阳离子混排情况少，且在780 ℃出现最高值，说明该温度下材料晶型结构最接近理想状态，过渡金属离子和锂离子排列有序度好.

图 1 不同烧结温度下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂XRD谱 Fig. 1 XRD patterns of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂under different sintering temperatures

表 1 不同烧结温度下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂晶胞参数计算值 Table 1 Lattice parameters of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ prepared by different sintering temperatures

点击放大

2.2 烧结温度对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂颗粒形貌和粒度影响

图 2所示为样品的SEM图, 表 2所列为烧结后颗粒粒径数据.图 2可以判断五组样品颗粒外形类似于球型, 随着烧结温度上升，颗粒逐渐长大，780 ℃的一次颗粒连接较紧密，温度高于780 ℃后一次颗粒接触过于致密, 致密的一次颗粒会降低锂离子通道与电解液接触面积, 阻碍锂离子的扩散.在820 ℃二次颗粒团聚导致粒径异常增大, 颗粒呈现多边形，球形度下降进一步影响材料性能.

图 2 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂颗粒SEM像 Fig. 2 SEM images of iNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂

表 2 不同烧结温度下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂颗粒粒径 Table 2 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ particle size synthesized at different sintering temperatures

点击放大

2.3 烧结温度对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂电化学性能影响 2.3.1 循环伏安测试

为了研究不同温度制备的材料电化学可逆性，在2.5~4.6 V电压区间、以0.1 mV/s的扫描速率对纽扣电池进行循环伏安测试.图 3所示是不同烧结温度材料的循环伏安测试结果，5种温度下制备的材料曲线峰型相似，Ni的价态变化过程反映了材料可逆程度，体现在峰电流的变化，图 3中出现3组氧化还原峰对，在3.7~3.8 V附近发生H1→M相转变，对应的还原峰在3.6~3.7 V; 在4.0 V附近发生M→H2转变，对应的还原峰在3.95V附近; 在4.2 V附近对应H2→H3相转变，其还原峰在4.15 V附近.循环伏安曲线中的氧化、还原电位差可以说明电极极化程度，差值越小，极化越小.780 ℃材料峰面积最大，氧化峰、还原峰强度电压差值最小，为0.07 V，760℃和820℃材料的电压差为0.09 V，740 ℃和800 ℃材料电压差值均超过0.14 V，说明在780 ℃条件下烧结18 h的材料电池极化电压小，电池可逆性最好，结构最为稳定.

图 3 不同烧结温度材料的循环伏安测试 Fig. 3 Cyclic voltammetry curve of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂

2.3.2 充放电测试

图 4所示为在室温下、2.75~4.2 V以0.1 C（1 C=180 mAh/g）倍率对软包电池进行首次充放电激活锂离子电池.由于烧结温差小，5种材料的首次充放电曲线基本重合，但仍然存在差距.表 3可以看出：740 ℃下烧结的材料放电比容量178.18 mAh/g，760 ℃下烧结的材料放电比容量184.30 mAh/g，780 ℃下烧结的材料放电比容量188.11 mAh/g为最高值，800 ℃下烧结的材料放电比容量183.19 mAh/g，820 ℃下烧结的材料放电比容量183.10 mAh/g; 在740 ℃、760 ℃、780 ℃、800 ℃、820 ℃下平均库伦效率分别是78.70%、81.17%、84.37%、82.45%、81.65%，数据呈现先上升后下降规律.

图 4 不同烧结温度下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂在2.75~4.2 V和0.1 C倍率首次充放电 Fig. 4 Initial cycle curves of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ (2.75~4.2 V & 0.1 C)

表 3 不同烧结温度下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂在2.75~4.2 V和0.1 C倍率化成 Table 3 Initial cycle data of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ (2.75~4.2 V & 0.1 C)

点击放大

对化成的软包电池以0.2 C倍率进行充电，不同倍率放电.图 5显示不同温度材料的倍率性能测试结果，从图 5曲线分析，随着倍率增大，材料的比容量逐渐下降.在0.1、0.2、0.5、1、2、5 C放电最后回到0.2 C倍率放电，图 6显示780 ℃样品比容量分别是185.32、175.42、168.56、161.73、154.17、151.05、184.04 mAh/g，在相同放电倍率下，比容量高于其他温度制备的材料.图 6是烧结材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂为正极、石墨材料为负极制成软包电池，在0.1 C倍率激活后在0.5 C、2.75~4.2 V循环100次曲线图，780 ℃材料保持率88.55%，高于其他温度制备的材料.在740~820 ℃的温度区间内，细小温度差对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂电池性能产生重要影响，740 ℃的低温使颗粒发育不够完善，820 ℃的高温使一次颗粒间距收缩导致二次颗粒过于致密, 降低了正极材料与电解液接触面积，二者均影响锂离子扩散系数，780 ℃时LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料一次颗粒和二次颗粒球形度最好, 各级颗粒间距适当，锂离子扩散系数最大，结构最稳定，因而其容量保持率最好.

图 5 不同烧结温度下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂倍率测试 Fig. 5 Rate capacity of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂cycled at

图 6 780 ℃材料不同倍率测试结果 Fig. 6 Rate capacity of 780 ℃cycled atdifferent rate different sintering temperatures

对化成的软包电池以0.2 C倍率进行充电，不同倍率放电.图 5所示为不同温度材料的倍率性能测试结果，从图 5曲线分析，随着倍率增大，材料的比容量逐渐下降.在0.1、0.2、0.5、1、2、5 C放电最后回到0.2 C倍率放电，图 6所示为780 ℃样品不同倍率比容量分别是185.32、175.42、168.56、161.73、154.17、151.05、184.04 mAh/g，在相同放电倍率下，比容量高于其他温度制备的材料.图 7是烧结材料LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂为正极、石墨材料为负极制成软包电池，0.1 C激活后在0.5 C、2.75~4.2 V循环100次曲线图，780 ℃材料保持率88.55 %，高于其他温度制备的材料.在740~820 ℃的温度区间内，细小温度差对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂电池性能产生重要影响，740 ℃的低温使晶格发育不够完善，820 ℃的高温使材料孔隙结构收缩，二者均影响锂离子扩散系数，780 ℃的温度刚好促使LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料孔隙通道最畅通，锂离子扩散系数最大，结构最稳定，因而其容量保持率最好.

图 7 不同烧结温度下合成的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂循环测试 Fig. 7 Cycle performance curves of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂

3 结论

1）通过共沉淀法制备Ni_0.8Co_0.15Al_0.05（OH）₂前驱体，利用固相法在不同烧结温度下获得LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极材料，XRD和电化学数据显示，780 ℃材料性能最好，2.75~4.2 V电压区间、0.1 C倍率首次比容量188.11 mAh/g，0.5 C循环100次容量保持率88.55%.

2）实验结果对前人相关文献报道可以得出总结性结论：LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂在740~820 ℃之间烧结能获得结构优异的正极材料.温度变化对LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂材料有很大影响，在工业生产和科学研究中适当调整烧结温度，能够制备出性能最优异的电池材料.

参考文献

[1]	刘柏男, 徐泉, 褚赓, 等. 锂离子电池高容量硅碳负极材料研究进展[J]. 储能科学与技术, 2016, 5(4): 417–421.
[2]	赖江洪, 钟盛文, 郭进康, 等. LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料的合成与性能[J]. 有色金属科学与工程, 2017, 8(4): 68–72.
[3]	吕庆文, 尹从岭, 钟盛文, 等. LiNi_0.6Co_0.1Mn_0.3O₂正极材料的合成与性能[J]. 有色金属科学与工程, 2016, 7(4): 50–54.
[4]	CHO Y H, JANG YOON J, et al. Thermal stability of charged LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂, cathode for Li-ion batteries investigated by synchrotron based in situ X-ray diffraction[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2013, 562(562): 219–223.
[5]	CHONG S Y, UN W, YUNG S T, et al. Structural stability of LiNiO₂ cycled above 4.2 V[J]. Acs Energy Letters, 2017, 2(5): 1150–1155. DOI: 10.1021/acsenergylett.7b00304.
[6]	MURALI NBABU K V, BABU K E, et al. Structural and morphological characterization of Mg doped LiNiO₂ cathode materials for Lithium-Ion Batteries[J]. Chemical Science Transcations, 2015, 4(4): 1031–1036.
[7]	KIM Y. First principles investigation of the structure and stability of LiNiO₂, doped with Co and Mn[J]. Journal of Materials Science, 2012, 47(21): 7558–7563. DOI: 10.1007/s10853-012-6299-0.
[8]	ZHONG S, LAI M, YAO W, et al. Synthesis and electrochemical properties of LiNi_0.8CoxMn_{0.2_-x}O₂, positive-electrode material for lithium-ion batteries[J]. Electrochimica Acta, 2016, 212: 343–351. DOI: 10.1016/j.electacta.2016.07.040.
[9]	KO H S, KIM J H, WANG J, et al. Co/Ti co-substituted layered LiNiO₂ prepared using a concentration gradient method as an effective cathode material for Li-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2017, 372: 107–115. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2017.10.021.
[10]	华政. 锂离子电池LiNi_{0. 8}Co_{0. 15}Al_{0. 05}O₂正极材料的合成与改性研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2017. http://www.cqvip.com/QK/71651X/201604/669384057.html
[11]	SONG C, WANG W, PENG H, et al. Improving the electrochemical performance of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ in lithium ion batteries by LiAlO₂ surface modification[J]. Applied Sciences, 2018, 8(3): 378. DOI: 10.3390/app8030378.
[12]	GRENIER A, LIU H, WIADEREK K M, et al. Reaction heterogeneity in LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ induced by surface layer[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29(17): 7345–7352. DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b02236.
[13]	LI W, LIU X, CELIO H, et al. Mn versus Al in layered oxide cathodes in lithium-ion batteries: A comprehensive evaluation on long-term cycle ability[J]. Advanced Energy Materials, 2018, 170: 3154.
[14]	WU N, WU H, YUAN W, et al. Facile synthesis of one-dimensional LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂ microrods as advanced cathode materials for lithium ion batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3(26): 13648–13652. DOI: 10.1039/C5TA02767E.
[15]	LIANG M, SONG D, ZHANG H, et al. Improved performances of LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂ material employing NaAlO₂ as a new aluminium source[J]. Acs Appl Mater Interfaces, 2017, 9: 38567–38574. DOI: 10.1021/acsami.7b12306.
[16]	YU J., CARBO N NANOTUBE S. Coating on LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂ as cathode materials for lithium battery[J]. International Journal of Electrochemical Science, 2017, 12(12): 11892–11903.
[17]	QIU Z, ZHANG Y, DONG P, et al. A facile method for synthesis of LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂, cathode material[J]. Journal of Materials Science Materials in Electronics, 2017, 28(24): 1–7.
[18]	XIE H, DU K, HU G, et al. Synthesis of LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂ with 5-sulfosalicylic acid as a chelating agent and its electrochemical properties[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3(40): 20236–20243. DOI: 10.1039/C5TA05266A.
[19]	刘城. 高镍层状结构LiNi_{0. 80}Co_{0. 15}Al_{0. 05}O₂正极材料的合成与性能研究[D]. 天津: 天津理工大学, 2016.
[20]	ROBERT R, BUNZLI C, Berg E J, et al. Activation mechanism of LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂: surface and bulk operando electrochemical, differential electrochemical mass spectrometry, and X- ray diffraction analyses[J]. Chemistry of Materials, 2015, 27(2): 526–536. DOI: 10.1021/cm503833b.
[21]	CHEN Y, LI P, ZHAO S, et al. Influence of integrated microstructure on the performance of LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂ as a cathodic material for lithium ion batteries[J]. Rsc Advances, 2017, 7(46): 29233–29239. DOI: 10.1039/C7RA04206J.
[22]	SONG C, WANG W, PENG H, et al. Improving the electrochemical performance of LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂ in lithium ion batteries by LiAlO₂ surface modification[J]. Applied Sciences, 2018, 8(3): 378. DOI: 10.3390/app8030378.