Synthesis of spherical LiFePO₄ microparticles with encapsulated carbon nanotubes for high-power lithium-ion batteries

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

Lithium ferrophosphate – LiFePO₄ (LFP) – is one of the widely studied and used materials for lithium-ion batteries. However, one of the main drawbacks of LFP is its poor electrical conductivity. To address this issue, we propose an effective approach based on encapsulating carbon nanotubes within the volume of LFP particles in the volume of spherical LFP particles. Electrodes based on the obtained materials exhibit more aTₜᵣactive electrochemical characteristics than LFP obtained by the standard method: increased specific capacity (62 and 92 mAh g–1 at a current density of 20C for LFP and LFP/SWCNT, respectively), stability of cyclic characteristics (preservation of 98% capacity after 100 charge/discharge cycles for LFP/SWCNT and 96.5% for LFP), as well as reduced charge transfer resistance. Encapsulation of SWCNT into the structure of iron phosphate during deposition is an easy-to-implement approach to formation modified LFP-based cathodes with improved characteristics, which expands the possibilities of their practical application in high-power lithium-ion batteries.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

A. Babkin

Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: A.V.Babkin93@yandex.ru

Faculty of Chemistry

Ресей, 119991 Moscow

O. Drozhzhin

Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University

Email: A.V.Babkin93@yandex.ru

Faculty of Chemistry

Ресей, 119991 Moscow

A. Kubarkov

Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University

Email: A.V.Babkin93@yandex.ru

Faculty of Chemistry

Ресей, 119991 Moscow

E. Antipov

Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University; Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: A.V.Babkin93@yandex.ru

Corresponding Member of the RAS, Faculty of Chemistry

Ресей, 119991 Moscow; 121205 Moscow

V. Sergeyev

Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University

Email: A.V.Babkin93@yandex.ru

Faculty of Chemistry

Ресей, 119991 Moscow

Әдебиет тізімі

  1. Deng D. // Energy Science & Engineering. 2015. V. 3. № 5. P. 385–418. https://doi.org/10.1002/ese3.95
  2. Li J., Du Z., Ruther R.E. An S.J., David L.A., Hays K., Wood M., Phillip D.N., Sheng Y., Mao C., Kalnaus S., Daniel C., Wood III D.L. // JOM. 2017. V. 69. P. 1484–1496. https://doi.org/10.1007/s11837-017-2404-9
  3. Miao Y., Hynan P., von Jouanne A., Yokochi A. // Energies. 2019. V. 12. № 6. P. 1074–1094. https://doi.org/10.3390/en12061074
  4. Camargos P.H., Pedro dos Santos H.J., dos Santos I.R., Ribeiro G.S., Caetano R.C. // Int. J. Energy Res. 2022. V. 46. № 13. P. 19258–19268. https://doi.org/10.1002/er.7993
  5. Nitta N., Wu F., Lee J.T., Yushin G. // Mater. Today. 2015. V. 18. № 5. P. 252–264. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040
  6. Mohamed N., Allam N.K. // RSC Adv. 2020. V. 10. № 37. P. 21662–21685. https://doi.org/10.1039/D0RA03314F
  7. Wang Y., Xu C., Tian X., Wang S., Zhao Y. // Chin. J. Struct. Chem. 2023. V. 42. № 10. P. 100167. https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2023.100167
  8. Murdock B.E., Toghill K.E., Tapia‐Ruiz N. // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 39. P. 2102028. https://doi.org/10.1002/aenm.202102028
  9. Guan P., Zhou L., Yu Z., Sun Y., Liu Y., Wu F., Jiang Y., Chu D. // J. Energy Chem. 2020. V. 43. P. 220–235. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.08.022
  10. Mukhopadhyay A., Jangid M.K. // Science. 2018. V. 359. № 6383. P. 1463–1463. https://doi.org/10.1126/science.aat245
  11. Van Noorden R. // Nature. 2014. V. 507. P. 26–28. https://doi.org/10.1038/507026a
  12. Jie Y., Ren X., Cao R., Cai W., Jiao S. // Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. № 25. P. 1910777. https://doi.org/10.1002/adfm.201910777
  13. Pender P.J., Jha G., Youn D.H., Ziegler J.M., Andoni I., Choi E.J., Heller A., Dunn B.S., Weiss P.S., Pennere R.M., Mullins B.C. // ACS Nano. 2020. V. 14. № 2. P. 1243–1295. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b04365
  14. Zhang J.-C., Liu Z.-D., Zeng C.-H., Luo J.-W., Deng Y.-D., Cui X.-Y., Chen Y.-N. // Rare Met. 2022. V. 41. P. 3946–3956. https://doi.org/10.1007/s12598-022-02070-6
  15. Lyu Y., Wu X., Wang K., Feng Z., Cheng T., Liu Y., Wang M., Chen R., Xu L., Zhou J., Lu Y., Guo B. // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 2. P. 2000982. https://doi.org/10.1002/aenm.202000982
  16. Malik M., Chan K.H., Azimi G. // Mater. Today Energy. 2022. V. 28. 101066. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101066
  17. Li T., Yuan X.-Z., Zhang L., Song D., Shi K., Bock C. // Electrochem. Energ. Rev. 2020. V. 3. P. 43–80. https://doi.org/10.1007/s41918-019-00053-3
  18. Tian J., Xiong R., Shen W., Lu J. // Appl. Energy. 2021. V. 291. P. 116812. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116812
  19. Xin Y.-M., Xu H.-Y., Ruan J.-H., Li D.-C., Wang A.-G., Sun D.-S. // Int. J. Electrochem. Sci. 2021. V. 16. № 6. P. 210655. https://doi.org/10.20964/2021.06.33
  20. Zhang S.S., Xu K., Jow T.R. // J. Power Sources. 2006. V. 160. № 2. P. 1349–1354. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.02.087
  21. Zou Y., Zhang J., Lin J., Wu D.-Y., Yang Y., Zheng J. // J. Power Sources. 2022. V. 524. P. 231049. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231049
  22. Neskoromnaya E.A., Babkin A.V., Zakharchenko E.A., Morozov Yu.G., Kabachkov E.N., Shulga Yu.M. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. P. 818–825. https://doi.org/10.1134/S1990793123040139
  23. Arshad F., Lin J., Manukar N., Fan E., Ahmad A., Tariq M.-un-N., Wu F., Chen R., Li L. // Resour. Conserv. Recycl. 2022. V. 180. P. 106164. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106164
  24. Sovacool B.K. // The Extractive Industries and Society. 2019. V. 6. № 3. P. 915–939. https://doi.org/10.1016/j.exis.2019.05.018
  25. Konar R., Maiti S., Shpingel N., Aurbach D. // Energy Stor. Mater. 2023. V. 63. P. 103001. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103001
  26. Zhang J.-N., Li Q., Ouyang C., Yu X., Ge M., Huang X., Hu E., Ma C., Li S., Xiao R., Yang W., Chu Y., Liu Y., Yu H., Yang X.-Q., Huang X., Chen L., Li H. // Nat. Energy. 2019. V. 4. P. 594–603. https://doi.org/10.1038/s41560-019-0409-z
  27. Chombo P.V., Laoonual Y. // J. Power Sources. 2020. V. 478. P. 228649. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228649
  28. Zhitao E., Guo H., Yan G., Wang J., Feng R., Wang Z., Li X. // J. Energy Chem. 2021. V. 55. P. 524–532. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.06.071
  29. Lipson A.L., Durham J.L., LeResche M., Abu-Baker I., Murphy M.J., Fister T.T., Wang L., Zhou F., Liu L., Kim K., Johnson D. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 16. P. 18512–18518. https://doi.org/10.1021/acsami.0c01448
  30. Chen S., Gao Z., Sun T. // Energy Sci. Eng. 2021. V. 9. № 9. P. 1647–1672. https://doi.org/10.1002/ese3.895
  31. Samigullin R.R., Drozhzhin O.A., Antipov E.V. // ACS Appl. Energy Mater. 2022. V. 5. P. 14−19. https://doi.org/10.1021/acsaem.1c03151
  32. Ramasubramanian B., Sundarrajan S., Chellappan V., Reddy M.V., Ramakrishna S., Zaghib K. // Batteries. 2022. V. 8. P. 133. https://doi.org/10.3390/batteries8100133
  33. Geng J., Zhang S., Hu X., Ling W., Peng X., Zhong S., Liang F., Zou Z. // Ionics. 2022. V. 28. P. 4899–4922. https://doi.org/10.1007/s11581-022-04679-0
  34. Lin J., Sun Y.-H., Lin X. // Nano Energy. 2022. V. 91. P. 106655. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106655
  35. Tian J., Xiong R., Shen W., Lu J. // Appl. Energy. 2021. V. 291. P. 116812. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116812
  36. Li J., Yao W., Martin S., Vaknin D. // Solid State Ionics. 2008. V. 179. № 35–36. P. 2016–2019. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.06.028
  37. Minakshi M. // Electrochim. Acta. 2010. V. 55. № 28. P. 9174–9178. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.09.011
  38. Zhang H., Zou Z., Zhang S., Liu J., Zhong S. // Int. J. Electrochem. Science. 2020. V. 15. № 12. P. 12041–12067. https://doi.org/10.20964/2020.12.71
  39. Doeff M.M., Wilcox J.D., Kostecki R., Lau G. // J. Power Sources. 2006. V. 163. № 1. P. 180–184. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.11.075
  40. Zhang W.-J. // J. Power Sources. 2011. V. 196. № 6. P. 2962–2970. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.11.113
  41. Zhao N., Li Y., Zhao X., Zhi X., Liang G. // J. Alloys Compd. 2016. V. 683. P. 123–132. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.04.070
  42. Rigamonti M.G., Chavalle M., Li H., Antitomaso P., Hadidi L., Stucchi M., Galli F., Khan H., Dolle M., Boffito D.C., Patience G.S. // J. Power Sources. 2020. V. 462. P. 228103. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228103
  43. Wang X., Wen L., Zheng Y., Liu H., Liang G. // Ionics. 2019. V. 25. P. 4589–4596. https://doi.org/10.1007/s11581-019-03025-1
  44. Cao Z., Ma B., Wang C., Shi B., Chen Y. // Hydrometallurgy. 2022. V. 212. P. 105896. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105896
  45. Lou W., Zhang W., Zhang Y., Zheng S., Sun P., Wang X., Qiao S., Li J., Zhang Y., Liu D., Wenzel M., Weigand J.J. // J. Alloys Compd. 2021. V. 856. P. 158148. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158148
  46. Babkin A.V., Kubarkov A.V., Styuf E.A., Sergeyev V.G., Drozhzhin O.A., Antipov E.V. // Russ. Chem. Bull. 2024. V. 73. № 1. P. 14–32. https://doi.org/10.1007/s11172-024-4119-8
  47. Manna K., Srivastava S.K. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 34. P. 19913–19920. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b04813
  48. Zhang, Y., Liang, Q., Huang, C., Gao P., Zhang X., Yang X., Liu L., Wang X. // J. Solid State Electrochem. 2018. V. 22. P. 1995–2002. https://doi.org/10.1007/s10008-018-3905-3
  49. Zhou W., He W., Zhang X., Yan S., Sun X., Tian X., Han X. // Powder Technol. 2009. V. 194. № 1–2. P. 106–108. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2009.03.034
  50. Wang M., Xue Y., Zhang K., Zhang Y. // Electrochim. Acta. 2011. V. 56. № 11. P. 4294–4298. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.01.074
  51. Ming X.-l., Wang R., Li T., Wu X., Yuan L., Zhao Y. // ACS Omega. 2021. V. 6. № 29. P. 18957–18963. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c02216
  52. Tao S., Li J., Wang L., Hu L., Zhou H. // Ionics. 2019. V. 25. P. 5643–5653. https://doi.org/10.1007/s11581-019-03070-w
  53. Zhu Y., Tang S., Shi H., Hu H. // Ceram. Int. 2014. V. 40. № 2. P. 2685–2690. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.10.055
  54. Gongyan W., Li L., Fang H. // Int. J. Electrochem. Sci. 2018. V. 13. P. 2498–2508. https://doi.org/10.20964/2018.03.72
  55. Babkin A.V., Kubarkov A.V., Drozhzhin O.A., Urvanov S.A., Filimonenkov I.S., Tkachev A.G., Mordkovich V.Z., Sergeyev V.G., Antipov E.V. // Dokl. Chem. 2023. V. 508. P. 1–9. https://doi.org/10.1134/S001250082360013X
  56. Wu Y.-J., Gu Y.-J., Chen Y.-B., Liu H.-Q., Liu C.-Q. // Int. J. Hydrog. Energy. 2018. V. 43. № 4. P. 2050–2056. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.12.061
  57. Ju S., Liu T., Peng H., Li G., Chen K. // Mater. Lett. 2013. V. 93. P. 194–198. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.11.083
  58. Guo Y., Jiang Y., Zhang Q., Wan D., Huang C. // J. Power Sources. 2021. V. 506. P. 230052. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230052
  59. Kubarkov A.V., Babkin A.V., Drozhzhin O.A., Stevenson K.J., Antipov E.V., Sergeyev V.G. // Nanomaterials. 2023. V. 13. P. 1771. https://doi.org/10.3390/nano13111771
  60. Song J., Shao G., Ma Z., Wang G., Yang J. // Electrochim. Acta. 2015. V. 178. P. 504–510. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.08.053
  61. Liang J., Gan Y., Yao M., Li Y. // Int. J. Heat Mass Transfer. 2021. V. 165. Part A. P. 120615. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120615
  62. Cao H., Wen L., Guo Z., Piao N., Hu G., Wu M., Li F. // New Carbon Mater. 2022. V. 37. № 1. P. 46–58. https://doi.org/10.1016/S1872-5805(22)60584-5
  63. Leanza D., Vaz C.A.F., Novak P., Kazzi M.E. // Helv. Chim. Acta. 2021. V. 104. P. e2000183. https://doi.org/10.1002/hlca.202000183
  64. Chen M., Liu F.-M., Chen S.-S., Zhao Y.-J., Sun Y., Li C.-S., Yuan Z.-Y., Qian X., Wan R. // Carbon. 2023. V. 203. P. 661–670. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.015
  65. Dong G.-H., Mao Y.-Q., Li Y.-Q., Huang P., Fu S.-Y. // Electrochim. Acta. 2022. V. 420. P. 140464. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140464
  66. Al-Samet M.A.M.M., Burgaz E. // J. Alloys Compd. 2023. V. 947. P. 169680. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169680
  67. Wang B., Liu T., Liu A., Liu G., Wang L., Gao T., Wang D., Zhao X.S. // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. P. 1600426. https://doi.org/10.1002/aenm.201600426
  68. Liu Z., Zhang R., Xu F., Gao Y., Zhao J. // J. Solid State Electrochem. 2022. V. 26. P. 1655–1665. https://doi.org/10.1007/s10008-022-05198-8
  69. Stenina I.A., Minakova P.V., Kulova T.L., Desyatov A.V., Yaroslavtsev A.B. // Inorg. Mater. 2021. V. 57. P. 620–628. https://doi.org/10.1134/S0020168521060108
  70. Tu X., Zhou Y., Song Y. // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 400. P. 329–338. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.12.220
  71. Gong C., Xue Z., Wang X., Zhou X.-P., Xie X.-L., Mai Y.-W. // J. Power Sources. 2014. V. 246. P. 260–268. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.07.091
  72. Lei X., Zhang H., Chen Y., Wang W., Ye Y., Zheng C., Deng P., Shi Z. // J. Alloys Compd. 2015. V. 626. P. 280–286. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.09.169
  73. Wu R., Xia G., Shen S., Zhu F., Jiang F., Zhang J. // Electrochim. Acta. 2015. V. 153. P. 334–342. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.12.028

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. Scheme for obtaining iron phosphate/carbon nanotube composite material by precipitation method.

Жүктеу (212KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. X-ray diffraction patterns of synthesized FP and FP/SWCNT precursors (a), SEM image of deposited FP/SWCNT (b), TG/DSC for the FP/SWCNT sample (c), X-ray diffraction patterns of FP and FP/SWCNT annealed at 600°C in air (d), and SEM image of the structure of the SWCNTs used (d).

Жүктеу (687KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. SEM images: spherical particles of unannealed LFP/SWCNT after spray drying (a), spherical LFP/SWCNT particles after annealing (b), view of the synthesized LFP/SWCNT particle (c), identification of carbon nanotubes on the surface of the synthesized LFP/SWCNT (d, e). X-ray diffraction pattern of the synthesized LFP/SWCNT sample (e).

Жүктеу (1MB)
Метадеректер
5. Fig. 4. Specific discharge capacities at different current densities for the LFP/SWCNT sample and its analog that does not contain SWCNT in its composition (a), qualitative and quantitative influence of current density on the difference in specific discharge capacities (b), galvanostatic charge/discharge curves for LFP/SWCNT (c) and LFP (d), enlarged areas of galvanostatic curves for LFP/SWCNT (d) and LFP (e) samples.

Жүктеу (582KB)
Метадеректер
6. Fig. 5. Cyclic stability of synthesized materials (charge/discharge rate 1C).

Жүктеу (221KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».