1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 58, № 8, 2022

Электрохимия, 2022, T. 58, № 8, стр. 456-465

Композиты на основе титаната лития и углеродных наноматериалов как аноды для литий-ионных аккумуляторов

И. А. Стенина a, Т. Л. Кулова b, А. В. Десятов c, А. Б. Ярославцев a, *

a Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Москва, Россия

b Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Москва, Россия

c Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Москва, Россия

* E-mail: yaroslav@igic.ras.ru

Поступила в редакцию 19.10.2021
После доработки 05.12.2021
Принята к публикации 06.01.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Золь–гель-методом синтезированы композиты на основе титаната лития, в которых в качестве проводящих добавок использованы углеродные нанотрубки (УНТ), в том числе гетерозамещенные, или графеноподобные наночешуйки (УНЧ) и углеродное покрытие, сформированное при пиролизе сахарозы (С). Введение углеродных нанотрубок приводит к значительному увеличению обратимой разрядной емкости композитов, в том числе при высоких плотностях тока за счет формирования трехмерной сетки для быстрого переноса ионов лития и электронов между частицами анодного материала. Так, при плотностях тока 200, 800, 1600 и 3200 мА/г обратимые разрядные емкости композитов Li4Ti5O12/С/УНТ составили 130, 107, 94 и 71 мА ч/г соответственно. Использование УНЧ в качестве проводящей добавки не приводит к значимому улучшению свойств анодного материала.

Ключевые слова: титанат лития, углеродные нанотрубки, композиты, анодные материалы, литий-ионные аккумуляторы

ВВЕДЕНИЕ

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) уверенно вошли в жизнь современного человека в качестве источников питания для портативного оборудования. Сферы их применения постоянно расширяются, внедряясь в новые области, включая беспроводные инструменты, транспортные средства [1–3]. Возможность их широкого внедрения в большую энергетику ограничивается лишь низкой распространенностью лития в земной коре [4]. В этой сфере, вероятно, со временем будут доминировать натрий-ионные аккумуляторы [5–8]. Однако все перечисленные области применения требуют не только наличия высокой емкости аккумуляторов, но и их высокой мощности, которая подразумевает возможность быстрой отдачи энергии при сохранении высокой емкости [9–13]. Немаловажным фактором является и возможность быстрого заряда аккумулятора, а также стабильность его работы. Следует заметить, что емкость ЛИА определяется электродными материалами, из которых формируются их катод и анод [14, 15]. В то же время скорость заряда и разряда ЛИА во многом зависит от электролита [16–22]. Не менее важные требования предъявляются и к электродным материалам. Сочетание возможности обратимого протекания окислительно-восстановительных процессов в определенном диапазоне потенциалов в ходе процессов литирования и делитирования, наличия литий-ионной и электронной проводимости наблюдается для достаточно узкого круга соединений. Обычно проводимость электродных материалов оказывается недостаточно высокой. Одним из возможных подходов к преодолению этой проблемы является переход к наноматериалам, в которых диффузионный путь от поверхности частицы до ее центра крайне мал [4, 23–26]. При этом необходимым требованием является и быстрая доставка ионов лития и электронов к поверхности каждой частицы [27–29]. Для решения этой проблемы используют проводящие покрытия, в частности углеродные [29–31]. Их свойства во многом определяются и методом формирования покрытия [32–35], которое должно быть сплошным, обеспечивая формирование непрерывной проводящей сетки и надежного контакта с каждой частицей по всей ее поверхности. При этом массовая доля покрытия в электродном материале обычно поддерживается невысокой, поскольку оно не обладает собственной электрохимической активностью и ограничивает емкость материала [33, 36]. Оптимальным способом нанесения проводящего покрытия является его формирование в ходе синтеза электродного материала (метод in situ), что должно не только обеспечивать равномерность покрытия, но и надежность контакта, одновременно ограничивая размер растущих частиц [37]. Однако этот метод можно использовать далеко не для всех материалов в силу особенностей методов их синтеза.

Одним из распространенных анодных материалов является титанат лития (Li4Ti5O12), который характеризуется достаточно высокой электрохимической емкостью и высокой стабильностью циклирования [38–40]. Его структурную формулу можно представить в виде Li[Li1/3Ti5/3]O4. Этот материал способен принять еще один ион лития на формульную единицу, переходя в структуру шпинели Li2[Li1/3Ti5/3]O4 (Li7Ti5O12). При этом 60% ионов титана меняет степень окисления до 3+, что определяет его теоретическую емкость, равную 175 мА ч/г [39, 40]. Процесс заряда протекает при величине потенциала около 1.55 В относительно литиевого электрода. Емкость данного материала можно повысить при циклировании в более широком диапазоне потенциалов – до 0.01 В относительно литиевого электрода [41–43]. Однако это приводит к ускоренной деградации электрода, в силу чего данный подход используется сравнительно редко. Для повышения мощности ЛИА с анодом из титаната лития используется нанесение на него углеродного покрытия, полученного при разложении органических веществ [44–47], или введение мезопористых углеродных материалов [48–50]. Среди углеродных материалов, используемых для формирования композиционных электродов, широкое распространение получили углеродные нанотрубки и графен [51–53]. Их введение позволяет улучшить и мощность ЛИА на основе титаната лития [54–60]. Однако точечный контакт между частицами титаната и углеродными наноматериалами, достигающийся в ходе механохимической обработки, не является оптимальным. Для улучшения доставки лития по всей поверхности частиц и обеспечения быстрого переноса представляется перспективным сочетание обоих подходов – формирование углеродного покрытия и введение одно- или двумерных углеродных наноматериалов, однако для получения последних нужны специфические условия, которые не подходят для синтеза Li4Ti5O12. С этой точки зрения, представляется, что свойства композита титаната лития с углеродным покрытием, полученным методом in situ, можно заметно улучшить за счет дополнительного введения одно- и двумерных углеродных наноматериалов. Это может обеспечить не только меньшие размеры частиц Li4Ti5O12 (меньшую длину диффузионного пути) в композитах за счет ограничения их роста при добавлении прекурсора углерода в ходе синтеза, но и лучший контакт между частицами материала за счет образования проводящих сетей в композитах при добавлении углеродных наноматериалов.

В связи с этим целью данной работы являлся синтез и исследование электрохимических свойств анодных материалов на основе титаната лития с углеродным покрытием, связанным в трехмерную сетку углеродными нанотрубками (УНТ) или графеноподобным материалом – углеродными наночешуйками (УНЧ). Для улучшения сцепления нанотрубок с поверхностью титаната лития и повышения проводимости были опробованы и гетерозамещенные УНТ, содержащие атомы азота.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Углеродные наноматериалы – углеродные нанотрубки, в том числе гетерозамещенные (N‑УНТ) и углеродные наночешуйки – получали методом химического осаждения из паровой фазы по методике, описанной в [59]. Прекурсор титаната лития синтезировали золь–гель-методом по методике [61], согласно которой стехиометрические количества бутоксида титана (Alfa Aesar, 99%) и карбоната лития (Fluka, 99%) сначала растворяли в смеси этанола и азотной кислоты, затем добавляли раствор лимонной кислоты (Sigma-Aldrich, >98%) в минимальном количестве воды. Реакционную смесь сушили при 95оС и отжигали при 400оС на воздухе в течение 24 и 5 ч соответственно.

Исследуемые композиты получали смешением порошков прекурсора титаната лития и 10 мас. % углеродного наноматериала с последующей помолом в агатовой ступке или планетарной мельнице Fritch Pulverisette 7 classic line. В последнем случае механическую обработку проводили в этаноле с использованием агатовых размольных стаканов и шаров на скорости 200 об/мин в течение 8 ч. Далее к полученной массе добавляли 5 мас. % сахарозы (Sigma-Aldrich, >99%), перетирали в агатовой ступке и отжигали при 800°С в токе аргона в течение 5 ч. Образцы сравнения синтезировали аналогичным способом без использования углеродных наноматериалов, добавляя к прекурсору титаната лития 5 и 10 мас. % сахарозы. В используемых в дальнейшем обозначениях образцов композитов приведены количество добавленной к прекурсору сахарозы (в мас. %) и углеродный наноматериал, подстрочный индекс “bm” указывает на механическую обработку прекурсора в планетарной мельнице, например LTO/10С и LTO/5С/УНЧbm.

Съемку и обработку рентгенограмм проводили на дифрактометре Rigaku D/MAX 2200 (излучение CuKα) с использованием комплекта программ Rigaku Data Processing. Размер частиц (область когерентного рассеяния, ОКР) оценивали по формуле Шеррера на основании уширения линий рентгенограмм.

Анализ морфологии образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Carl Zeiss NVision 40.

Содержание углерода в полученных композитах определяли на элементном анализаторе EuroVektor EA3000. Для образцов LTO/5C, LTO/10C и композитов с 10 мас. % углеродных нанотрубок (наночешуек) содержание углерода составило 2.3, 3.9 и 11.2–11.4% соответственно.

Электронную проводимость исследуемых композитов измеряли на постоянном токе с помощью импедансметра Z500 PRO на цилиндрических таблетках с серебряными электродами. Во всех исследуемых образцах величины проводимости на переменном и постоянном токах совпадали, что свидетельствует о доминирующем вкладе электронной составляющей проводимости в общую проводимость.

Электродную пасту для исследования электрохимических характеристик готовили смешением полученных композитов, сажи (Timcal) и предварительно растворенного в N‑метилпирролидиноне (Sigma-Aldrich) поливинилиденфторида (Sigma-Aldrich) в соотношении 88 : 10 : 2. Далее полученную смесь наносили на сетку из нержавеющей стали (толщина слоя 8–10 мг/см2), играющей роль токоотвода, прессовали под давлением 0.1 ГПа и сушили в вакууме при 120°С в течение 8 ч.

Электрохимические характеристики исследовали в трехэлектродных герметичных ячейках с литиевыми рабочим электродом и электродом сравнения. Электрохимические ячейки собирали в перчаточном боксе в атмосфере сухого аргона, используя в качестве сепаратора нетканый полипропилен (НПО “Уфим”) и 1 М раствор гексафторфосфата лития (Sigma-Aldrich) в смеси этиленкарбоната, диэтилкарбоната и диметилкарбоната (1 : 1 : 1) (Sigma-Aldrich) в качестве электролита. Электрохимическое циклирование проводили с использованием зарядно-разрядного стенда ЗРУ 50 мА–10 В (ООО “НТЦ Бустер”) в гальваностатическом режиме (интервал потенциалов 1–3 В, плотности тока 20–3200 мА/г). Величины электрохимических емкостей приведены в пересчете на титанат лития.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Все рефлексы на рентгенограммах полученных композитов (рис. 1) соответствуют таковым для шпинели Li4Ti5O12 (база PDF-2, карточка № 49-0207). Высокая интенсивность линий титаната лития приводит к тому, что характеристичные для графена и углеродных нанотрубок слабые уширенные рефлексы в области 2θ ~ 24°–26° на рентгенограммах исследуемых композитов не наблюдаются. При этом линии Li4Ti5O12 являются достаточно узкими, что свидетельствует о высокой его кристалличности. Рассчитанное на основании уширения линий рентгенограмм значение области когерентного рассеяния титаната лития в образце LTO/5С составляет 51 нм. При введении как углеродных нанотрубок, так и наночешуек величины ОКР практически не изменяются и варьируются в диапазоне 50–53 нм. Механическая обработка прекурсора титаната лития с углеродными наноматериалами в планетарной мельнице также не оказывает значимого влияния на размер первичных частиц Li4Ti5O12 в полученных композитах.

Рис. 1.

Рентгенограммы композитов на основе титаната лития: LTO/5С/УНТ (1), LTO/5С/N‑УНТ (2), LTO/5С/УНЧ (3), LTO/5С/УНТbm (4), LTO/5С/N-УНТbm (5) и LTO/5С/УНЧbm (6). Механическую обработку прекурсора титаната лития с углеродными наноматериалами проводили в агатовой ступке для образцов (1–3) и в планетарной мельнице для образцов (4–6).

Согласно данным сканирующей электронной микроскопии образец LTO/5С представляет собой поликристаллическую массу, в которой наблюдаются как отдельные частицы, так и сростки различного размера (500 нм–2 мкм и более) (рис. 2а). Использование углеродных нанотрубок и наночешуек в ходе синтеза титаната лития не приводит к изменению морфологии частиц Li4Ti5O12 в полученных композитах (рис. 2в–2д, 2ж). На отдельных микрофотографиях можно видеть сами УНТ на некоторых частицах Li4Ti5O12 (рис. 2г) или УНТ, покрытые слоем углерода (рис. 2в). В композите LTO/5С/УНЧ углеродные наночешуйки представлены крупными (до 30 мкм) агломератами (рис. 2д), которым на микрофотографиях, полученных в режиме отраженных электронов, соответствуют более темные области (рис. 2е). Механическая обработка смеси прекурсора титаната лития с углеродными наноматериалами в планетарной мельнице не приводит к значимым изменениям микроструктуры полученных композитов. Можно лишь отметить уменьшение размеров агломератов УНЧ (рис. 2ж, 2з). Можно предположить, что процесс помола преимущественно приводит к уменьшению размеров менее прочных и более пластичных углеродных материалов, а размер частиц титаната остается неизменным.

Рис. 2.

СЭМ-изображения композитов на основе титаната лития, полученных при механической обработке прекурсора Li4Ti5O12 с углеродными наноматериалами в агатовой ступке: LTO/5С (а, б), LTO/5С/УНТ (в, г), LTO/5С/УНЧ (д, е) и в планетарной мельнице: LTO/5С/УНЧbm (ж, з) во вторичных (а–д, ж) и отраженных электронах (е, з).

При высоких скоростях разряда–заряда величина электрохимической емкости электродного материала во многом определяется скоростью процессов литирования и делитирования в нем. Последняя, в свою очередь, зависит от скорости транспорта ионов лития и электронов в частицах электрода. Причем поскольку в ходе интеркаляции и деинтеркаляции лития процессы переноса ионов лития и электронов взаимосвязаны и протекают одновременно, введение углеродных наноматериалов в состав композита на основе титаната лития могло бы привести к увеличению не только электронной проводимости, но и скорости диффузии лития по межзеренным границам. Кроме того, использование гетерозамещенных атомами азота углеродных нанотрубок может способствовать более прочному связыванию создаваемого углеродного покрытия с частицами титаната лития. Действительно, наибольшим значением проводимости (0.02 См/см) характеризуется образец LTO/5С/N-УНТ. Проводимость композитов с углеродными наночешуйками оказалась ниже более, чем на порядок, что обусловлено большим размером их агломератов и неравномерным распределением по образцу.

Зарядно-разрядные кривые полученных композитов являются типичными для Li4Ti5O12, для которого характерны участки с практически постоянным рабочим потенциалом при ~1.55 В (рис. 3). При приближении процессов интеркаляции–деинтеркаляции лития к завершению величина потенциала несколько изменяется, что обусловлено ростом толщины диффузионного слоя и увеличением вклада в данные процессы внутреннего сопротивления частиц титаната лития. При этом для композитов титаната лития с гетерозамещенными УНТ наблюдается несколько больший наклон зарядно-разрядных кривых (рис. 3в), чем для других образцов. Часто такое изменение формы зарядно-разрядной кривой связывают с заменой двухфазного механизма (сосуществование в процессе интеркаляции–деинтеркаляции лития двух фаз – Li4Ti5O12 и Li7Ti5O12) на однофазный в результате образования в системе более мелких частиц и/или твердых растворов. Такое изменение может привести к увеличению скорости заряда и разряда материалов. Поскольку все исследуемые композиционные материалы характеризуются близким размером первичных частиц, одинаковой морфологией, гипотеза о возможной смене механизма интеркаляции–деинтеркаляции лития при использовании N-УНТ в композитах с титанатом лития представляется маловероятной. Ведь в таком случае речь должна идти о значимых переменах в структуре или, по крайней мере, в морфологии частиц Li4Ti5O12, которые вряд ли может изменить введение гетерозамещенных углеродных нанотрубок в углеродное покрытие. Кроме того, при циклировании лучшие характеристики на больших токах демонстрирует композит титаната лития с недопированными УНТ – LTO/5С/УНТ (рис. 4). На основании полученных данных можно предположить, что увеличение наклона на зарядно-разрядных кривых для образца LTO/5С/N‑УНТ может быть обусловлено сорбцией части ионов лития на поверхности допированных азотом углеродных нанотрубок. Так, перенос ионов лития, отличающихся малым размером, в твердых электролитах чаще всего происходит по междоузельному механизму. Сорбция ионов Li+ азотсодержащими углеродными наноматериалами приводит к повышению концентрации литиевых вакансий, уменьшению концентрации основных носителей тока и росту сопротивления образца.

Рис. 3.

Зарядно-разрядные кривые для композитов LTO/5С (а), LTO/5С/УНТ (б), LTO/5С/N-УНТ (в), LTO/5С/10УНЧ (г) при различных плотностях тока: 20 (1-й цикл) (1), 100 (2), 200 (3), 400 (4), 800 (5), 1600 (6), 3200 (7), 20 (после циклирования при высоких плотностях тока) (8) мА/г.

Рис. 4.

Зависимости обратимой разрядной емкости от плотности тока в ходе циклирования композитов LTO/5С (1), LTO/10С (2), LTO/5С/УНТ (3), LTO/5С/N-УНТ (4), LTO/5С/УНЧ (5), LTO/5С/УНЧbm (6). Плотности тока (мА/г) приведены на рисунке.

Материалы, полученные отжигом прекурсора для синтеза Li4Ti5O12 с сахарозой, показывают достаточно высокие значения емкости при низкой плотности тока (20 мА/г), которые достигают 142–149 мА ч/г (рис. 4). Однако с ростом плотности тока электрохимическая емкость полученных материалов быстро спадает, составляя 38 мА ч/г при плотности тока 3200 мА/г для композита LTO/5C, полученного из прекурсора с массовой долей сахарозы 5% (рис. 4). При повышении содержания последней до 10% (мас.) электрохимическую емкость Li4Ti5O12 при высокой плотности тока удается повысить до 50 мА ч/г (рис. 4). Дополнительное введение УНТ приводит к совершенствованию углеродной сетки и позволяет существенно улучшить параметры циклирования, что особенно четко проявляется при высоких плотностях тока (71 мА ч/г при 3200 мА/г) (рис. 4). Кроме того, можно отметить, что при возвращении на малые плотности тока после циклирования при высоких разрядная емкость титаната лития в композите LTO/5C/УНТ даже несколько увеличивается. Допирование УНТ азотом не привело к улучшению свойств анодных материалов. Более того, использование УНТ с гетероатомами, напротив, приводит к некоторому ухудшению свойств анодного материала при высоких плотностях тока. Наконец, введение УНЧ вообще не приводит к улучшению свойств анода.

Для того, чтобы понять природу этого явления, вернемся к данным электронной микроскопии. Если УНТ представляют собой индивидуальные нанотрубки [59], которые могут обеспечить хороший контакт между частицами анодного материала, то УНЧ, напротив, представляли собой крупные агломераты. В англоязычной литературе такой материал часто называют “твердым углеродом”. Он проявляет собственную электрохимическую емкость при потенциалах около 0 В относительно литиевого электрода, но не обладают ей в области 1.5 В, при которой циклируется литиевый анод. Более того, столь крупные сростки вряд ли способны улучшить электроперенос между частицами. В то же время можно ожидать, что их свойства может существенно улучшить помол.

Действительно, предварительный помол реакционной смеси прекурсора титаната лития с углеродными наночешуйками перед отжигом приводит к существенному улучшению свойств композитов Li4Ti5O12 c УНЧ как при низких, так и при высоких плотностях тока, что дает им некоторое преимущество перед композитами с УНТ при низких плотностях тока (рис. 4). В то же время эти композиты все равно уступают таковым с УНТ при больших скоростях заряда/разряда (50 и 71 мА ч/г, соответственно). Стоит отметить, что предварительный помол прекурсора с УНТ, напротив, не привел к положительным результатам. Причиной этого, вероятно, является частичное разрушение УНТ при совместном помоле с более жесткими частицами прекурсора титаната лития.

Обратимые разрядные емкости полученных в данной работе композитов титаната лития с углеродными наноматериалами (150–160 мА ч/г при плотности тока 20 мА/г) оказались несколько ниже, чем для некоторых приводимых в литературе материалов: 174 [54], 167 [55, 58] мА ч/г при плотности тока 20 мА/г. Очевидно, что углеродный наноматериал, выступает в роли эффективного переносчика электронов, а емкостные характеристики композита определяются электродным материалом (титанатом лития) и во многом зависят от метода его получения. В ряде работ методами синтеза композитов Li4Ti5O12 с УНТ или графеном являются гидротермальный [54–56], электроспрей, а также микроэмульсионный [60], часто предусматривающие низкие температуры финального отжига. Обычно при этом частицы электродного материала получаются нанометрового диапазона с достаточно узким распределением по размерам, что приводит к более высоким емкостям получаемых материалов по сравнению с таковыми, синтезируемыми золь–гель- или твердофазным методами. В то же время для нанесения равномерного высокопроводящего углеродного покрытия необходимы высокие температуры отжига (обычно используемые в случае твердофазного и золь–гель-методов), которые приводят к росту частиц электродного материала и понижению емкостных характеристик при высоких плотностях тока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данной работе показана возможность существенного улучшения при высоких плотностях тока электрохимической емкости материалов на основе титаната лития с углеродным покрытием из сахарозы за счет введения УНТ, которые обеспечивают формирование трехмерной сетки для быстрого переноса ионов лития и электронов между частицами анодного материала. Напротив, введение УНЧ, представляющих собой неупорядоченные сростки графеноподобных наночешуек, не приводит к улучшению свойств анодного материала. Исправить данную ситуацию позволяет совместный помол прекурсора титаната лития с УНЧ перед заключительным отжигом. Однако и в этом случае свойства полученного материала уступают свойствам композита, содержащего УНТ.

Список литературы

  1. Bruce, P.G., Freunberger, S.A., Hardwick, L.J., and Tarascon, J.M., Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage, Nat. Mater., 2012, vol. 11, p. 19.

  2. Albertus, P., Babinec, S., Litzelman, S., and Newman, A., Status and challenges in enabling the lithium metal electrode for high-energy and low-cost rechargeable batteries, Nat. Energy, 2018, vol. 3, p. 16.

  3. Quartarone, E. and Mustarelli, P., Review – emerging trends in the design of electrolytes for lithium and post-lithium batteries, J. Electrochem. Soc., 2020, vol. 167, no. 050508.

  4. Stenina, I.A. and Yaroslavtsev, A.B., Nanomaterials for lithium-ion batteries and hydrogen energy, Pure Appl. Chem., 2017, vol. 89, p. 1185.

  5. Kumar, D., Rajouria, S.K., Kuhar, S.B., and Kanchan, D.K., Progress and prospects of sodium–sulfur batteries: A review, Solid State Ionics, 2017, vol. 312, p. 8.

  6. Скундин, А.М., Кулова, Т.Л., Ярославцев, А.Б. Натрий-ионные аккумуляторы (обзор). Электрохимия. 2018. Т. 54. С. 131. [Skundin, A.M., Kulova, T.L., and Yaroslavtsev, A.B., Sodium-Ion Batteries (a Review), Russ. J. Electrochem., 2018, vol. 54, p. 113.]

  7. Fang, Y., Xiao, L., Chen, Z., Ai, X., Cao, Y., and Yang, H., Recent advances in sodium‑ion battery materials, Electrochem. Energy Rev., 2018, vol. 1, p. 294.

  8. Li, F., Wei, Z., Manthiram, A., Feng, Y., Ma, J., and Mai, L., Sodium-based batteries: from critical materials to battery systems, J. Mater. Chem. A, 2019, vol. 7, p. 9406.

  9. Agostini, M., Brutti, S., Navarra, M.A., Panero, S., Reale, P., Matic, A., and Scrosati, B., A high-power and fast charging Li ion battery with outstanding cyclelife, Sci. Rep., 2017, vol. 7, p. 1104.

  10. Lain, M.J., Brandon, J., and Kendrick, E., Design strategies for high power vs. high energy lithium ion cells, Batteries, 2019, vol. 5, p. 64.

  11. Tomaszewska, A., Chu, Z., Feng, X., O’Kane, S., Liu, X., Chen, J., Ji, C., Endler, E., Li, R., Liu, L., Li, Y., Zheng, S., Vetterlein, S., Gao, M., Du, J., Parkes, M., Ouyang, M., Marinescu, M., Offer, G., and Wu, B., Lithium-ion battery fast charging: A review, eTransportation, 2019, vol. 1, no. 100011.

  12. Lee, A., Vörös, M., Dose, W.M., Niklas, J., Poluektov, O., Schaller, R.D., Iddir, H., Maroni, V.A., Lee, E., Ingram, B., Curtiss, L.A., and Johnson, C.S., Photo-accelerated fast charging of lithium-ion batteries, Nat. Commun., 2019, vol. 10, no. 4946.

  13. Ge, S., Leng, Y., Liu, T., Longchamps, R.S., Yang, X.-G., Gao, Y., Wang, D., Wang, D., and Wang, C.-Y., A new approach to both high safety and high performance of lithium-ion batteries, Sci. Adv., 2020, vol. 6, p. 7633.

  14. Goodenough, J.B. and Park, K.-S., The Li-ion rechargeable battery: A perspective, J. Am. Chem. Soc., 2013, vol. 135, p. 1167.

  15. Li, M., Feng, M., Luo, D., and Chen, Z., Fast charging Li-ion batteries for a new era of electric vehicles, Cell Rep. Phys. Sci., 2020, vol. 1, no. 100212.

  16. Li, Q., Chen, J., Fan, L., Kong, X., and Lu, Y., Progress in electrolytes for rechargeable Li-based batteries and beyond, Green Energy Envir., 2016, vol. 1, p. 18.

  17. Zhang, H., Zhao, H., Khan, M.A., Zou, W., Xu, J., Zhang, L., and Zhang, J., Recent progress in advanced electrode materials, separators and electrolytes for lithium batteries, J. Mater. Chem. A, 2018, vol. 6, p. 20564.

  18. Yao, P., Yu, H., Ding, Z., Liu, Y., Lu, J., Lavorgna, M., Wu, J., and Liu, X., Review on polymer-based composite electrolytes for lithium batteries, Frontiers Chem., 2019, vol. 7, p. 522.

  19. Deng, K., Zeng, Q., Wang, D., Liu, Z., Qiu, Z., Zhang, Y., Xiaod, M., and Meng, Y., Single-ion conducting gel polymer electrolytes: design, preparation and application, J. Mater. Chem. A, 2020, vol. 8, p. 1557.

  20. Zhao, W., Yi, J., He, P., and Zhou, H., Solid-state electrolytes for lithium‑ion batteries: fundamentals, challenges and perspectives, Electrochem. Energy Rev., 2019, vol. 2, p. 574.

  21. Yaroslavtsev, A.B., Stenina, I.A., and Golubenko, D.V., Membrane materials for energy production and storage, Pure Appl. Chem., 2020, vol. 92, p. 1147.

  22. Воропаева, Д.Ю., Новикова, С.А., Ярославцев, А.Б. Полимерные электролиты для литий-ионных аккумуляторов, Успехи химии. 2020. Т. 89. С. 1132. [Voropaeva, D.Yu., Novikova, S.A., and Yaroslav-tsev, A.B., Polymer electrolytes for metal-ion batteries, Russ. Chem. Rev., 2020, vol. 89, p.1132.]

  23. Kennedy, T., Brandon, M., and Ryan, K.M., Advances in the application of silicon and germanium nanowires for high-performance lithium-ion batteries, Adv. Mater., 2016, vol. 28, p. 5696.

  24. Choi, M.-J., Xiao, Y., Hwang, J.-Y., Belharouak, I., and Sun, Y.-K., Novel strategy to improve the Li-storage performance of micro silicon anodes, J. Power Sources, 2017, vol. 348, p. 302.

  25. Sakabe, J., Ohta, N., Ohnishi, T., Mitsuishi, K., and Takada, K., Porous amorphous silicon film anodes for high-capacity and stable all-solid-state lithium batteries, Commun. Chem., 2018, vol. 1, no. 24.

  26. Gangaja, B., Nair, S., and Santhanagopalan, D., Surface-engineered Li4Ti5O12 nanostructures for high-power Li-ion batteries, Nano-Micro Lett., 2020, vol. 12, p. 30.

  27. Zhang, S.M., Zhang, J.X., Xu, S.J., Yuan, X.J., and He, B.C., Li ion diffusivity and electrochemical properties of FePO4 nanoparticles acted directly as cathode materials in lithium ion rechargeable batteries, Electrochim. Acta, 2013, vol. 88, p. 287.

  28. Luo, Y., Guo, R., Li, T., Li, F., Liu, Z., Zheng, M., Wang, B., Yang, Z., Luo, H., and Wan, Y., Application of polyaniline for Li-ion batteries, lithium–sulfur Batteries, and supercapacitors, ChemSusChem, 2019, vol. 12, p. 1591.

  29. Yaroslavtsev, A.B. and Stenina, I.A., Carbon coating of electrode materials for lithium-ion batteries, Surf. Innov., 2021, vol. 9, p. 92.

  30. Gong, C., Xue, Z., Wen, S., Ye, Y., and Xie, X., Advanced carbon materials/olivine LiFePO4 composites cathode for lithium ion batteries, J. Power Sources, 2016, vol. 318, p. 93.

  31. Eftekhari, A., LiFePO4/C nanocomposites for lithium-ion batteries, J. Power Sources, 2017, vol. 3431, p. 395.

  32. Guan, P., Zhou, L., Yu, Z., Sun, Y., Liu, Y., Wu, F., Jiang, Y., and Chu, D., Recent progress of surface coating on cathode materials for high-performance lithium-ion batteries, J. Energy Chem., 2020, vol. 43, p. 220.

  33. Mauger, A. and Julien, C., Surface modifications of electrode materials for lithium-ion batteries: status and trends, Ionics, 2014, vol. 20, p. 751.

  34. Nisar, U., Muralidharan, N., Essehli, R., Amin, R., and Belharouak, I., Valuation of surface coatings in high-energy density lithium-ion battery cathode materials, Energy Storage Mater., 2021, vol. 38, p. 309.

  35. Kosova, N.V., Podgornova, O.A., Volfkovich, Yu.M., and Sosenkin, V.E., Optimization of the cathode porosity via mechanochemical synthesis with carbon black, J. Solid State Electrochem., 2021, vol. 25, p. 1029.

  36. Li, H. and Zhou, H., Enhancing the performances of Li-ion batteries by carbon-coating: present and future, Chem. Commun., 2012, vol. 48, p. 1201.

  37. Novikova, S., Yaroslavtsev, S., Rusakov, V., Kulova, T., Skundin, A., and Yaroslavtsev, A., ${{{\text{LiF}}{{{\text{e}}}_{{1--x}}}{\text{M}}_{x}^{{{\text{II}}}}{\text{P}}{{{\text{O}}}_{4}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{LiF}}{{{\text{e}}}_{{1--x}}}{\text{M}}_{x}^{{{\text{II}}}}{\text{P}}{{{\text{O}}}_{4}}} {\text{C}}}} \right. \kern-0em} {\text{C}}}$ (MII = Co, Ni, Mg) as cathode materials for lithium-ion batteries, Electrochim. Acta, 2014, vol. 122, p. 180.

  38. Lu, J., Nan, C., Peng, O., and Li, Y., Single crystalline lithium titanate nanostructure with enhanced rate performance for lithium ion battery, J. Power Sources, 2012, vol. 202, p. 246.

  39. Yi, T.-F., Yang, S.-Y., and Xie, Y., Recent advances of Li4Ti5O12 as a promising next generation anode material for high power lithium-ion batteries, J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, p. 5750.

  40. Chauque, S., Oliva, F.Y., Visintin, A., Barraco, D., Leiva, E.P.M., and Cámara, O.R., Lithium titanate as anode material for lithium ion batteries: Synthesis, posttreatment and its electrochemical response, J. Electroanal. Chem., 2017, vol. 799, p. 142.

  41. Kulova, T.L., Skundin, A.M., Kreshchenova, Y.M., Kuz’mina, A.A., Stenina, I.A., and Yaroslavtsev, A.B., New high-capacity anode materials based on gallium-doped lithium titanate, Mendeleev Commun., 2016, vol. 26, p. 238.

  42. Han, C., He, Y.-B., Wang, S., Wang, C., Du, H., Qin, X., Lin, Z., Li, B., and Kang, F., Large Polarization of Li4Ti5O12 lithiated to 0 V at large charge/discharge rates, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, vol. 8, p. 18788.

  43. Liu, J., Wei. X., and Meng, F., Lithium Titanate-Based Lithium-Ion Batteries, in Advanced Battery Materials, Sun, C., Ed, Beverly: Scrivener Publishing LLC, 2019, p. 87.

  44. Zhang, Y., Hu, X., Xu, Y., and Chen, Ch., Preparation and electrochemical properties of Li4Ti5O12/C anode material by facile solid-state reaction, Solid State Ionics, 2015, vol. 276, p. 18.

  45. Stenina, I.A., Kulova, T.L., Skundin, A.M., and Yaroslavtsev, A.B., High grain boundary density Li4Ti5O12/ anatase-TiO2 nanocomposites as anode material for Li-ion batteries, Mater. Res. Bull., 2016, vol. 75, p. 178.

  46. Cheng, Q., Tang, S., Liang, J., Zhao, J., Lan, Q., Liu, C., and Cao, Y.-C., High rate performance of the carbon encapsulated Li4Ti5O12 for lithium ion battery, Res. Phys., 2017, vol. 7, p. 810.

  47. Gangaja, B., Nair, S., and Santhanagopalan, D., Surface-engineered Li4Ti5O12 nanostructures for high-power Li-ion batteries, Nano-Micro Lett., 2020, vol. 12, p. 30.

  48. Xiang, Y., Zhao, P., Jin, Z., Chen, B., Ming, H., Zhang, H., Zhang, W., Cao, G., and Zhu, X., Three-dimensional and mesopore-oriented graphene conductive framework anchored with nano-Li4Ti5O12 particles as an ultrahigh rate anode for lithium-ion batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, p. 42258.

  49. Yan, H., Yao, W., Fan, R., Zhang, Y., Luo, J., and Xu, J., Mesoporous hierarchical structure of Li4Ti5O12/ graphene with high electrochemical performance in lithium-ion batteries, ACS Sust. Chem. Engineer., 2018, vol. 6, p. 11360.

  50. Stenina, I., Shaydullin, R., Kulova, T., Kuz’mina, A., Tabachkova, N., and Yaroslavtsev, A., Effect of carbon additives on the electrochemical performance of Li4Ti5O12/C anodes, Energies, 2020, vol. 13, no. 3941.

  51. Varzi, A., Ramirez-Castro, C., Balducci, A., and Passerini, S., Performance and kinetics of LiFePO4–carbon bi-material electrodes for hybrid devices: A comparative study between activated carbon and multi-walled carbon nanotubes, J. Power Sources, 2015, vol. 273, p. 1016.

  52. Li, W., Garg, A., Le, M.L.P., Ruhatiya, C., Gao, L., and Tran, V.M., Electrochemical performance investigation of LiFePO4/C0.15 –x (x = 0.05, 0.1, 0.15 CNTs) electrodes at various calcination temperatures: Experimental and intelligent modelling approach, Electrochim. Acta, 2020, vol. 330, no. 135314.

  53. Gao, C., Liu, H., Bi, S., Fan, S., Meng, X., Li, Q., and Luo, C., Insight into the effect of graphene coating on cycling stability of LiNi0.5Mn1.5O4: Integration of structure-stability and surfacestability, J. Materiomics, 2020, vol. 6, p. 712.

  54. Lin, Z., Yang, Y., Jin, J., Wei, L., Chen, W., Lin, Y., and Huang, Z., Graphene-wrapped Li4Ti5O12 hollow spheres consisting of nanosheets as novel anode material for lithium-ion batteries, Electrochim. Acta, 2017, vol. 254, p. 287.

  55. Hu, Y., Lin, F., and Liu, Z., Three-dimensional carbon nanotube-scaffolded Li4Ti5O12@C microsphere with enhanced rate property for electrochemical energy storage, Ceramics Int., 2019, vol. 45, p. 10976.

  56. Li, S. and Mao, J., The influence of different types of graphene on the lithium titanate anode materials of a lithium ion battery, J. Electron. Mater., 2018, vol. 47, p. 5410.

  57. Wei, A., Li, W., Bai, X., Zhang, L., Liu, Z., and Wang, Y., A facile one-step solid-state synthesis of a Li4Ti5O12/graphene composite as an anode material for high-power lithium-ion batteries, Solid State Ionics, 2019, vol. 329, p. 110.

  58. Zhang, P., Chen, M., Shen, X., Wu, Q., Zhang, X., Huan, L., and Diao, G., Preparation of Li4Ti5O12 nanosheets/carbon nanotubes composites and application of anode materials for lithium-ion batteries, Electrochim. Acta, 2016, vol. 204, p. 92.

  59. Stenina, I.A., Shaydullin, R.R., Desyatov, A.V., Kulova, T.L., and Yaroslavtsev, A.B., Effect of carbon and N-doped carbon nanomaterials on the electrochemical performance of lithium titanate-based composites, Electrochim. Acta, 2020, vol. 364, no. 137330.

  60. Zhang, F., Yi, F., Gao, A., Shu, D., Sun, Z., Mao, J., Zhou, X., Zhu, Z., and Sun, Y., Interfacial electrostatic self-assembly in water-in-oil microemulsion assisted synthesis of Li4Ti5O12/Graphene for lithium-ion-batteries, J. Alloys Compd., 2020, vol. 819, no. 153018.

  61. Stenina, I.A., Sobolev, A.N., Yaroslavtsev, S.A., Rusakov, V.S., Kulova, T.L., Skundin, A.M., and Yaroslav-tsev, A.B., Influence of iron doping on structure and electrochemical properties of Li4Ti5O12, Electrochim. Acta, 2016, vol. 219, p. 524.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал