МНОГОСТЕННЫЕ УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ КАК ДОБАВКА В ЛИТИЙ-ЖЕЛЕЗО-ФОСФАТНЫЙ АКТИВНЫЙ СЛОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Для улучшения электрохимических характеристик литий-железо-фосфатного (LiFePO4 , LFP) активного слоя (АС) положительного электрода литий-ионного аккумулятора (ЛИА) исследована добавка многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), синтезированных методом химического осаждения из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD) на катализаторе, содержащем различное количество активных компонентов Co + Mo (1, 5 и 10%: МУНТ-1, МУНТ-5, МУНТ-10). Полученные МУНТ обладают большой удельной поверхностью (SБЭТ: 200–700 м2/г). Установлено, что по мере увеличения суммарной концентрации CoMo величина SБЭТ МУНТ уменьшается, что связано с изменением морфологии МУНТ, заключающееся в увеличении количества стенок МУНТ (по методу ПЭМ изменение N от 2 до 12). В настоящей работе оптимизированы условия предподготовки суспензии МУНТ, что позволило снизить их агломерацию без видимого разрушения микроструктуры в составе слоя и улучшить распределение МУНТ в активном слое. Оптимальная подготовка суспензии включает использование ультразвуковой предварительной обработки длительностью 60 мин и введение связующего компонента (поливинилцидендифторида, PVDF) концентрацией от 2 до 4%. Улучшение характеристик подтверждается методами ПЭМ и СЭМ, а также методом ЦВА, показывающим близкие величины площади электрохимически доступной поверхности (SЭДП) для всех исследованных МУНТ. В то же время при сравнении гальваностатических зарядно/разрядных кривых установлено, что наилучшие электрохимические характеристики обеспечиваются в слое LFP-MУНТ-1.

Об авторах

Д. В Фокин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

А. Ю Крюков

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

Н. В Панченко

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: nadv.09@yandex.ru
Москва, Россия

Т. А Павлищева

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

С. М Придворова

ФИЦ Фундаментальные основы биотехнологии РАН, Институт биохимии им. А.Н. Баха

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

А. В Денисенко

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

А. Н Морозов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

О. Е Селина

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

А. В Кузов

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

А. В Десятов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

В. В Емец

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

О. В Корчагин

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

В. Н Андреев

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: danila5651@yandex.ru
Москва, Россия

Список литературы

  1. Kober T., Schiffer H.-W., Densing M., Panos V. Global energy perspectives to 2060 – WEC’s World Energy Scenarios 2019 // Energy Strat. Rev. 2020. V. 31. A. 10523.
  2. Тетельмин В.В. Энерго-демографическая история современной цивилизации // Народонаселение. 2021. Т. 24. № 2. C. [142 V.V. Tetel’min. Energy and Demographic History of Modern Civilization, Narodonaseleniye (in Russian). 2021. V. 24. № 2. P. 142.].
  3. Абрамов В., Абрамов И., Путилов А., Трушиня И. Анализ энергопотребления ведущих стран накануне глобальных изменений современного мира // Энергетическая политика. 2023. Т.188. № 9. С. 84 [Abramov V., Abramov I., Putilov A., Trushin E. Analysis of energy consumption of leading countries on the eve of global changes in the modern world. Energyticheskaya politika (in Russian). 2023. V. 188. № 9. P. 84.].
  4. Кусамин А.А., Осмоловский С.А., Черкашин В.А., Феськова Е.В., Никифоров А.Г. Топливные элементы. Устройство, виды, принцип действия топливных элементов // Экономика и социум. 2022. Т. 96. № 5. С. 1049 [Kusakin A.A., Osmolovsky S.A., Cherkashin V.A., Feskova E.V., Nikiforov A.G. Fuel cells. The device, types, and principle of operation of fuel cells. Economika i socium (in Russian). 2022. V. 96. № 5. P. 1049.].
  5. Lebrouhi B.E., Khattari Y., Lamrani B., Maaroufi M. et al. Key challenges for a large-scale development of battery electric vehicles: A comprehensive review // The Journal of Energy Storage. 2021. V. 44. Part B. P. 103273.
  6. Яронова Н.В., Аблаева А.А. К вопросу выбора аккумуляторной батареи для устройств автоматики и телемеханики // Universum: технические науки. 2022. T.103. № 10-2. С. 67 [Yaronova N.V., Ablaeva A.A. On the issue of choosing a battery for automation and telemechanics devices. Universum: Tehnicheskiye nauki. 2022. T.103. № 10-2. P. 67.].
  7. Кулова Т.Л., Скундин А.М. Ренессанс литиевого электрода // Электрохимическая энергетика. 2023. Т. 23. № 3. С. 120 [Kulova T.L., Skundin A.M. Renaissance of the lithium electrode. Electrochimicheskaya energeticka. 2023. V. 23. № 3. P. 120.].
  8. Matthew L., Jun L., Zhongwei C., Khalil A. 30 Years of Lithium-Ion Batteries // Advanced Materials. 2018. V. 30. P. 1.
  9. Скундин А.М., Чирков Ю.Г., Ростокин В.И. Литий-ионные аккумуляторы: компьютерное моделирование и проблемы зависимости от токов заряда-разряда. // Альтернативная энергетика и экология. 2014. Т. 153. № 3. С. 82–97 [Skundin A.M., Chirkov Yu.G., Rostokin V.I. Lithium-ion batteries: computer modeling and problems of dependence on charge-discharge currents. Alternative Energy and Ecology. 2014. V. 153. № 3. P. 82–97.].
  10. Кулова Т.Л., Скундин А.М. Проблемы развития литий-ионных аккумуляторов в мире и России // Электрохимическая энергетика. 2023. Т. 23. № 3. С. 111 [Kulova T.L., Skundin A.M. Problems of development of lithium-ion batteries in the world and Russia. Electrochemical Power Engineering. 2023. V. 23. № 3. P. 111.].
  11. Kim T., Song W., Son D.-Y., Ono L.K., Qi Y. Lithiumion batteries: outlook on present future, and hybridized technologies // Journal of Materials Chemistry A. 2019. V. 7. P. 2942.
  12. Huang S., Huang X., Huang Y., He X., Zhuo H., Chen S. Rational Design of Effective Binders for LiFePO4 Cathodes // Polymers. 2021. V. 13. № 18. P. 3146.
  13. Ярославцев А.Б., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Электродные наноматериалы для литий-ионных аккумуляторов // Успехи химии. 2015. Т. 84. № 8. С. 826 [Yaroslavtsev A.B., Kulova T.L., Skundin A.M. Electrode nanomaterials for lithium-ion batteries. Uspekhi himii. 2015. V. 84. № 8. P. 826.].
  14. Bruno S. Lithium Rocking Chair Batteries: An Old Concept? // Journal of The Electrochemical Society. 1992. V. 139. P. 2776.
  15. Shen C., Li G., Liu L., Li P., Xu H., Hu H., Wang L. Facile fabrication of compact LiFePO4/C composite with excellent atomically-efficient for high-energydensity Li-ion batteries // Journal of Power Sources. 2021. V. 496. P. 229759.
  16. Evro S., Ajumobi A., Mayon D., Tomomewo O. Navigating Battery Choices: A Comparative Study of Lithium Iron Phosphate and Nickel Manganese Cobalt Battery Technologie. // Future Batteries. 2024. V. 4. P. 100007.
  17. Jia Z., Wang S., Qin P., Li C., Song L. et al. Comparative investigation of the thermal runaway and gas venting behaviors of large-format LiFePO4 batteries caused by overcharging and overheating // Journal of Energy Storage. 2023. V. 61. P. 106791.
  18. El Moutchou. S., Aziam H., Mansori M., Saadoune I. Thermal stability of Lithium-ion batteries: Case study of NMC811 and LFP cathode materials // Materials Today: Proceedings. 2022. V. 51. P. 1.
  19. Dufek E., Abraham D., Bloom I., Chen B.-R. et al. Developing extreme fast charge battery protocols – A review spanning materials to systems // Journal of Power Sources. 2022. V. 526. P. 231129.
  20. Zhang K., Feng Y., Zhou L., Ma H. et al. Challenges and Advances for Wide-Temperature Rechargeable Lithium Batteries // Energy & Environmental Science. 2022. V. 15. P. 1711.
  21. Stenina I., Minakova P., Kulova T., Yaroslavtsev A. Electrochemical Properties of LiFePO4 Cathodes: The Effect of Carbon Additives // Batteries. 2022. V. 8. № 9. P. 111.
  22. Shuzhen Y., Yanfang H., Shengpeng S. et al. Hybrid humics/sodium carboxymethyl cellulose water-solu ble binder for enhancing the electrochemical performance of a Li-ion battery cathode // Powder Technology. 2019. V. 351. № 1. P. 203.
  23. Lei Q., Ziqiang S., Daxiong W. et al. Enhanced electrochemical properties of LiFePO4 (LFP) cathode using the carboxymethyl cellulose lithium (CMC-Li) as novel binder in lithium-ion battery // Carbohydrate Polymers. 2014. V. 111. № 13. P. 588.
  24. Jiarong H., Haoxiang Z., Jinglu W. et al. Investigation on xanthan gum as novel water soluble binder for LiFePO4 cathode in lithium-ion batteries // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 714. № 15. P. 409.
  25. Xuehu Z., Junwe H., Lingling C. et al. Binding mechanisms of PVDF in lithium ion batteries // Applied Surface Science. 2021. V. 553. № 1. P. 1.
  26. Costa C.M., Lizundia E., Lanceros-Mendez S. Polymers for advanced lithium-ion batteries: State of the art and future needs on polymers for the different battery components // Progress in Energy and Combustion Science. 2020. V. 79. P. 100846.
  27. Yerdauletov M., Avdeev M.V., Tomchuk A.A. et al. Nanoscale structure of positive electrodes for lithiumion batteries with graphene-based additives according to small-angle neutron scattering, Journal of Surface Investigation: X-ray // Synchrotron and Neutron Techniques. 2023. V. 17. P. 460.
  28. Babkin A.V., Kubarkov A.V., Drozhzhin O.A. et al. Single-, double-, and multi-walled carbon nanotubes as electrically conductive additives to lithiumion battery cathodes // Doklady Chemistry. 2023. V. 508. P. 1.
  29. Li G. Regulating Mass Transport Behavior for High‐Performance Lithium Metal Batteries and Fast‐Charging Lithium‐Ion Batteries. // Advanced Energy Materials. 2021. 11(7). A. 2002891. https://doi.org/10.1002/aenm.202002891
  30. Longoni G., Panda J.K., Gagliani L., Brescia R. et al. In situ LiFePO4 nano-particles grown on few-layer graphene flakes as high-power cathode nanohybrids for lithium-ion batteries // Nano Energy. 2018. V. 51. P. 656.
  31. Haldar T., Kumar U., Yadav B.C., Kumar V.V.R.K. Synthesis and characterization of catalytic CVD growth pristine and functionalized MWCNT // Journal of Applied Physics. 2021. V. 130. № 7. A. 075106.
  32. Dai H. Carbon Nanotubes: Opportunities and Challenges // Surface Science. 2002. V. 500. P. 218.
  33. Корусенко П.М., Несов С.Н., Болотов В.В. и др. Изменение химического состояния и концентрации железа в углеродных нанотрубках, полученных методом CVD и подвергнутых импульсному ионному облучению // Журнал технической физики. 2017. Т. 59. С. 2019 [Korusenko P.M., Nesov S.N., Bolotov V.V., Povoroznyuk S.N., Pushkarev A.I., Knyazev E.V. Izmenenie himicheskogo sostoyaniya i koncentracii zheleza v uglerodnyh nanotrubkah, poluchennyh metodom CVD i podvergnutyh impul’snomu ionnomu oblucheniyu, Zhurnal tekhnicheskoj fiziki. 2017. T. 59. S. 2019.].
  34. Papa Z., Kecsenovity E., Fejes D., Budai J. Height and diameter dependence of carbon nanotube forests on the porosity and thickness of catalytic layers // Applied Surface Science. 2018. V. 428. № 15. P. 885–894.
  35. Шульга Ю.М., Домашнев И.А., Тарасов Б.П., Колесникова А.М. Межслоевые расстояния в многослойных углеродных в многослойных углеродных нанотрубках нанотрубках // Альтернативная энергетика и экология. 2002. № 1. С. 70.
  36. Лобяк Е.В. Структура и свойства углеродных и азотсодержащих углеродных нанотрубок, синтезированных каталитическим пиролизом с использованием полимолибдатов Co, Ni, Fe. Дис. … канд. хим. наук: 02.00.04 – Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отд. РАН минобрнауки России.
  37. Volfkovich Y.M., Sakars A.V., Volinsky A.A. Application of the standard porosimetry method for nanomaterials. Internat // J. of Nanotech. 2005. № 2. P. 292.
  38. Tusseeva E.K., Kulova T.L., Skundin A.M. Active Layer Thickness Effect on the Behavior of Electrodes Based on Lithium Iron Phosphate. Russ // J. Electrochem. 2019. V. 55. P. 200.
  39. Xia J., Zhu F., Wang L., Wang G. et al. In situ coating on LiFePO4 with ionic liquid as carbon source for high-performance lithium batteries // Journal of Nanoparticle Research. 2018. V. 20. С. 196.
  40. Guo B., Ruan H., Zheng C., Fei H., & Wei M. Hierarchical LiFePO4 with a controllable growth of the (010) facet for lithium-ion batteries. // Scientific Report. 2013. V. 3. P. 2788.
  41. Duan W., Husain M., Li Y., Lashari N. ur R. et al. Enhanced charge transport properties of an LFP/C/ graphite composite as a cathode material for aqueous rechargeable lithium batteries // RSC Adv. 2023. V. 13. P. 25327–25333.
  42. Jagtoyen M., Pardue J., Rantell T.et al. Porosity of carbon nanotubes // Adsorption Science and Technology. 2000. P. 908.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).