Хімія, фізика та технологія поверхні, 2014, 5 (1), 99-108.

Нанокомпозит LiFePO4/C як катодний матеріал для літій-іонних акумуляторів високої потужності



V. V. Kosilov, S. I. Chernukhin, I. V. Romanova, S. А. Kirillov

Анотація


З використанням цитратного методу синтезовано прекурсори, з яких термічним обробленням одержано нанокомпозити LiFePO4/C з розміром частинок близько 20 нм, питомою площею поверхні більше 60 м2/г та регульованим вмістом вуглецю (від 7.6 до 12.5 мас. %). Властивості матеріалів вивчено за допомогою дериватографії, термопрограмованого розкладання, порометрії, рентгенівської дифрактометрії, електронної мікроскопії, отримано електрохімічні характеристики у потенціодинамічному та гальваностатичному режимах. Синтезовані композити мають питому ємність до 134 мА·год/г і виявляють здатність розряджуватись великими струмами. Зокрема, після навантаження струмом 8500 мА/г (50 С) зразок, що містить 12.5% вуглецю, повністю відновлює свою питому ємність. Це свідчить про перспективність його використання в електрохімічних пристроях високої потужності.

Ключові слова


літій-залізо фосфат; літій-іонний акумулятор; високошвидкісне розрядження

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Padhi A.K., Nanjundaswamy K.S., Goodenough J.B. Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries // J. Electrochem. Soc. – 1997. – V. 144, N 4. – P. 1188–1194.

2. Махонина Е.В., Первов В.С., Дубасова В.С. Оксидные материалы положительного электрода литий-ионных аккумуляторов // Усп. химии. – 2004. – Т. 73, № 10. –  С. 1075–1083.

3. Whittingham M.S. Lithium batteries and cathode materials // Chem. Rev. – 2004. – V. 104, N 10. – P. 4271–4301.

4. Yamada A., Chung S.C., Hinokuma K. Optimized LiFePO4 for lithium battery cathodes // J. Electrochem. Soc. – 2001. – V. 148, N 3. – P. A224–229.

5. Chung S.Y., Chiang Y.M. Microscale measurements of the electrical conductivity of doped LiFePO4 // Electrochem. Solid-State Lett. – 2003. – V. 6, N 12. – P. A278–A281.

6. Prosini P.P., Lisi M., Zane D., Pasquali M. Determination of chemical diffusion coefficient of lithium in LiFePO4 // Solid State Ionics. – 2002. – V. 148, N 1–2. – P. 45‑51.

7. Yang M.-R., Ke W.-H. The doping effect on the electrochemical properties of LiFe0,95M0,05PO4 (M=Mg2+, Ni2+, Al3+, or V3+) as cathode materials for lithium-ion cells // J. Electrochem. Soc. – 2008. – V. 155, N 10. – P. A729–A732.

8. Chiang Y.-M., Chung S.-Y., Bloking J.T., Anderson A.M. Conductive lithium storage electrode // Patent USА 7,338,734, B2, March 4, 2008.

9. Aricò A.S., Bruce P., Scrosati B. et al. Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices // Nature materials. – 2005. – V. 4, N 5. – P. 366–377.

10. Sinha N.N., Munichandraiah N. The effect of particle size on performance of cathode materials of Li-ion batteries // J. Indian Inst. Sci. – 2009. – V. 89, N. 4 – P. 389–392.

11. Park O.K., Cho Y., Lee S. et al. Who will drive electric vehicles, olivine or spinel? // Energy Environ. Sci. – 2011 – V. 4, N 5. –   P. 1621–1633.

12. Liu H., Wang G.X., Wexler D. et al. Electrochemical performance of LiFePO4 cathode material coated with ZrO2 nanolayer // Electrochem. Commun. – 2008. – V. 10, N 1. – P. 165–169.

13. Park K.S., Son J.T., Chung H.T. et al. Surface modification by silver coating for improving electrochemical properties of LiFePO4// Solid State Commun. 2004. – V. 129, N 5. –  P. 311–314.

14. Kang B., Ceder G. Battery materials for ultrafast charging and discharging // Nature. – 2009. – V. 458, N 7235. – P. 190–193.

15. Huang H., Yin S.C., Nazar L. Approaching theoretical capacity of LiFePO4 at room temperature at high rates // Electrochem. Solid-State Lett. – 2001. – V. 4, N 10. – P. A170–172.

16. Chen Z., Dahn J.R. Reducing carbon in LiFePO4/C composite electrodes to maximize specific energy, volumetric energy, and tap density // J. Electrochem. Soc. – 2002. – V. 149, N 9. – P. A1184–1189.

17. Kuwahara A., Suzuki S., Miyayama M. High-rate properties of LiFePO4/carbon composites as cathode materials for lithium-ion batteries // Ceramics International. – 2008. – V. 34, N 4. – P. 863–866.

18. Gabrich H., Wilcox J.D., Doeff M.D. Carbon surface layers on high-rate LiFePO4 // Electrochem. Solid-State Lett. – 2006. – V. 9, N 7. – P. A360–A363.

19. Chiu K.-F., Tang H.-Y., Lin B.-S. High conductivity LiFePO4/C composite thin films with Ti underlayers deposited by radio frequency sputtering // J. Electrochem. Soc. – 2007. – V. 154, N 4. – P. A364–A368.

20. Gaberscek M., Dominko R., Jamnik J. Is small particle size more important than carbon coating? An example study on LiFePO4 cathodes // Electrochem. Commun. – 2007. – V. 9, N 12. – P. 2778–2783.

21. Gaberscek M., Dominko R., Bele M. et al. Porous, carbon-decorated LiFePO4 prepared by sol-gel method based on citric acid // Solid State Ionics. – 2005. – V. 176, N 22. –   P. 1801–1805.

22. Feng Y., Jingjie Z., Yanfeng Y., Guanghi S. Reaction mechanism and electrochemical performance of LiFePO4/C cathode materials synthesized by carbothermal method // Electrochim. Acta. – 2009. – V. 54, N 28. –   P. 7389–7395.

23. Jugovic D., Uskokovic D. A review of recent developments in the synthesis procedures of lithium iron phosphate powders // J. Power Sources. – 2009. – V. 190, N 2. – P. 538–544.

24. Kirillov S.A., Romanova I.V., Farbun I.A. Synthesis of mixed oxides using polybasic carboxylic hydroxy- and amino-acid routes: problems and prospects // New Carbon Based Materials for Electrochemical Energy Storage Systems, NATO Science Series. ‑ Springer, Dordrecht, 2006. – Р. 495–504.

25. Фарбун И.А., Романова И.В., Териковская Т.Е. и др. Комплексообразование при синтезе оксида цинка из цитратных растворов // Журн. прикл. химии. – 2007. – Т. 80, № 11. – С. 1773–1778.

26. Романова И.В., Фарбун И.А., Хайнаков С.А. и др. Исследование каталитических свойств материалов на основе оксидов переходных металлов и церия // Доп. НАН України. – 2008. – № 10. – C. 153–158.

27. Фарбун И.А., Романова И.В., Хайнаков С.А., Кириллов С.А. Свойства наноразмерных материалов на основе оксидов марганца и церия, полученных из цитратных растворов // Сб. Поверхность. – 2010. – Вып. 2 (17). – С. 197–204.

28. Wang B., Qiu Y., Yang L. Structural and electrochemical characterization of LiFePO4 synthesized by an HEDP–based soft–chemistry route // Electrochem. Commun. – 2006. – V. 8, N 11. – P. 1801–1805.

29. Zhang S.-F., Liu Z., Yang X.-G. et al. Unprecedented 5,5-connected (47 - 63) (48 - 62) structural topology: A lead biphosphonate with double layered structure // Inorg. Chem. Commun. – 2008. – V. 11, N 6. – P. 604–607.

30. Thakkar R., Chudasama U. Synthesis, characterization and proton transport properties of mixed metal phosphonate–zirconium titanium hydroxy ethylidene diphosphonate // J. Iran. Chem. Soc. – 2010. – V. 7, N 1. –  P. 202–209.




Copyright (©) 2014 V. V. Kosilov, S. I. Chernukhin, I. V. Romanova, S. А. Kirillov