Допированный ванадием диоксид титана со структурой бронз как анодный материал для литий-ионных аккумуляторов с улучшенными циклическими и мощностными характеристиками

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

Гидротермальным синтезом получены нанотрубки диоксида титана со структурой бронз (TiO₂(B)), допированного ванадием. Синтезированный материал характеризуется мезопористостью и высокой удельной площадью поверхности, достигающей 180 м²/г. Показано, что введение ванадия в кристаллическую структуру TiO₂(B) сопровождается увеличением объема элементарной ячейки. Для допированного диоксида титана по сравнению с недопированным зафиксировано повышение электропроводности приблизительно на три порядка вплоть до 1.70 ⋅ 10^− 8 См/см. При использовании в качестве анодного материала литий-ионного аккумулятора V-замещенная производная TiO₂(B) продемонстрировала улучшенные циклические и мощностные характеристики. В частности, после 100 циклов заряда/разряда в режиме 9С на электроде из допированного диоксида титана достигнута ёмкость 133 мА⋅ч/г с эффективностью циклирования более 98.9%. В условиях высокой токовой нагрузки 18С допированный TiO₂(B) сохраняет обратимую ёмкость на уровне 114 мА⋅ч/г, что отвечает 40% от ёмкости первоначального разряда при 0.45C.

Авторы:

Опра Денис Павлович, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, ayacks@mail.ru

Гнеденков Сергей Васильевич, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, svg21@hotmail.com

Синебрюхов Сергей Леонидович, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, sls@ich.dvo.ru

Соколов Александр Александрович, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, alexsokol90@mail.ru

Подгорбунский Анатолий Борисович, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, pab@ich.dvo.ru

Курявый Валерий Георгиевич, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, kvg@ich.dvo.ru

Майоров Виталий Юрьевич, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, 024205@inbox.ru

Машталяр Дмитрий Валерьевич, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, madiva@inbox.ru

Устинов Александр Юрьевич, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, les@ich.dvo.ru

Ключевые слова:

литий-ионный аккумулятор, анод, TiO2(B), допирование, нанотрубки, мезопористость

Литература

1. Li Y., Shen J., Li J., Liu S., Yu D., Xu R., Fu W.-F., Lv X.-J. Constructing a novel strategy for carbon-doped TiO₂ multiple-phase nanocomposites toward superior electrochemical performance for lithium ion batteries and the hydrogen evolution reaction // J. Mater. Chem. A. 2017. Vol. 5. P. 7055–7063. DOI: https://doi.org/10.1039/C7TA01184A

2. Chen C., Hu X., Zhang B., Miao L., Huang Y. Architectural design and phase engineering of N/B-codoped TiO₂(B)/anatase nanotube assemblies for high-rate and long-life lithium storage // J. Mater. Chem. A. 2015. Vol. 3. P. 22591–22598. DOI: https://doi.org/10.1039/C5TA06884C

3. Fehse M., Ventosa E. Is TiO₂(B) the future of titanium-based battery materials? // ChemPlusChem. 2015. Vol. 80. P. 785–795. DOI: https://doi.org/10.1002/cplu.201500038

4. Lewis C. S., Ru Li Y., Wang L., Li J., Stach E. A., Takeuchi K. J., Marschilok A. C., Takeuchi E. S., Wong S. S. Correlating titania nanostructured morphologies with performance as anode materials for lithium-ion batteries // ACS Sustainable Chem. Eng. 2016. Vol. 4. P. 6299–6312. DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b00763

5. Dylla A. G., Henkelman G., Stevenson K. J. Lithium insertion in nanostructured TiO₂(B) architectures // Acc. Chem. Res. 2013. Vol. 46. P. 1104–1112. DOI: https://doi.org/10.1021/ar300176y

6. Yan W., Zou Y., Zhou H., Wang L., Meng X. Synergistic effect of sodium ions and fluoride ions on synthesis of pure-phase TiO₂(B) nanorings // J. Nanopart. Res. 2017. Vol. 19. Article ID 192. DOI: https://doi.org/10.1007/s11051-017-3889-4

7. Dylla A. G., Xiao P., Henkelman G., Stevenson K. J. Morphological dependence of lithium insertion in nanocrystalline TiO₂(B) nanoparticles and nanosheets // J. Phys. Chem. Lett. 2012. Vol. 3. P. 2015–2019. DOI: https://doi.org/10.1021/jz300766a

8. Zukalová M., Kalbáč M., Kavan L., Exnar I., Graetzel M. Pseudocapacitive lithium storage in TiO₂(B) // Chem. Mater. 2005. Vol. 17. P. 1248–1255. DOI: https://doi.org/10.1021/cm048249t

9. Cao M., Tao L., Lv X., Bu Y., Li M., Yin H., Zhu M., Zhong Z., Shen Y., Wang M. Phosphorus-doped TiO₂-B nanowire arrays boosting robust pseudocapacitive properties for lithium storage // J. Power Sources. 2018. Vol. 396. P. 327–334. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.06.012

10. Huang J. P., Yuan D. D., Zhang H. Z., Cao Y. L., Li G. R., Yang H. X., Gao X. P. Electrochemical sodium storage of TiO₂(B) nanotubes for sodium ion batteries // RSC Adv. 2013. Vol. 3. P. 12593–12597. DOI: https://doi.org/10.1039/C3RA42413H

11. Иванищев А. В. Подходы к созданию электродов на основе интеркаляционных соединений лития // Электрохимическая энергетика. 2018. Т. 18, № 2. С. 51–76. DOI: https://doi.org/10.18500/1608-4039-2018-2-51-76

12. Meng Y., Wang D., Wei Y., Zhu K., Zhao Y., Bian X., Du F., Liu B., Gao Y., Chen G. Competition between insertion of Li⁺ and Mg²⁺ : An example of TiO₂B nanowires for Mg rechargeable batteries and Li⁺ / Mg²⁺ hybrid-ion batteries // J. Power Sources. 2017. Vol. 346. P. 134–142. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.02.033

13. Liu Y., Guo M., Liu Z., Wei Q., Wei M. Rapid and facile synthesis of hierarchically mesoporous TiO₂B with enhanced reversible capacity and rate capability // J. Mater. Chem. A. 2018. Vol. 6. P. 1196–1200. DOI: https://doi.org/10.1039/C7TA09264D

14. Zhang Z., Zhou Z., Nie S., Wang H., Peng H., Li G., Chen K. Flower-like hydrogenated TiO₂(B) nanostructures as anode materials for high-performance lithium ion batteries // J. Power Sources. 2014. Vol. 267. P. 388–393. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.05.121

15. Ventosa E., Mei B., Xia W., Muhler M., Schuhmann W. TiO₂(B) / anatase composites synthesized by spray drying as high performance negative electrode material in Li-Ion batteries // ChemSusChem. 2013. Vol. 6. P. 1312–1315. DOI: https://doi.org/10.1002/cssС. 201300439

16. Grosjean R., Fehse M., Pigeot-Remy S., Stievano L., Monconduit L., Cassaignon S. Facile synthetic route towards nanostructured Fe–TiO₂(B), used as negative electrode for Li-ion batteries // J. Power Sources. 2015. Vol. 278. P. 1–8. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.12.032

17. Zhang Y., Meng Y., Zhu K., Qiu H., Ju Y., Gao Y., Du F., Zou B., Chen G., Wei Y. Copper-doped titanium dioxide bronze nanowires with superior high rate capability for lithium ion batteries // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. Vol. 8. P. 7957–7965. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.5b10766

18. Amirsalehi M., Askari M. Influence of vanadium, cobalt-codoping on electrochemical performance of titanium dioxide bronze nanobelts used as lithium ion battery anodes // J. Mater. Sci. : Mater. Electron. 2018. Vol. 29. Article ID 13068. DOI: https://doi.org/10.1007/s10854-018-9429-x

19. Petricek V., Dusek M., Palatinus L. Crystallographic computing system JANA2006 : General features // Z. Kristallogr. 2014. Vol. 229. P. 345–352. DOI: https://doi.org/10.1515/zkri-2014-1737

20. Кузнецов Ф. А., Воронков М. Г., Борисов В. О., Смирнова Т. П. Фундаментальные основы процессов химического осаждения пленок и структур для наноэлектроники. Новосибирск : Издательство СО РАН, 2013. 177 с.

21. Сафьянова Л. В., Тимаева О. И., Кузьмичева Г. М., Лобанова Н. А., Чумаков Р. Г., Храмов Е. В., Терехова Р. П., Садовская Н. В. Стабилизированные наночастицы диоксида титана : получение, физико-химические, фотокаталитические и антимикробные свойства // Российские нанотехнологии. 2019. Т. 14, № 5–6. С. 19–30. DOI: https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-5-6-19-3

22. Shabalina A., Fakhrutdinova E., Chen Y.-W., Lapin I. Preparation of gold-modified F,N-TiO₂ visible light photocatalysts and their structural features comparative analysis // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2015. Vol. 75. P. 617–624. DOI: https://doi.org/10.1007/s10971-015-3732-2

23. Xie J., Jiang D., Chen M., Li D., Zhu J., Lu X., Yan C. Preparation and characterization of monodisperse Ce-doped TiO₂ microspheres with visible light photocatalytic activity // Colloids Surf., A. 2010. Vol. 372. P. 107–114. DOI: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2010.09.037

24. Opra D. P., Gnedenkov S. V., Sinebryukhov S. L., Voit E. I., Sokolov A. A., Ustinov A. Yu., Zheleznov V. V. Zr⁴⁺ / F⁻ co-doped TiO₂(anatase) as high performance anode material for lithium-ion battery // Prog. Nat. Sci. : Mater. Int. 2018. Vol. 28. P. 542–547. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pnsС. 2018.08.001

25. Lucassen F., Koch-Müller M., Taran M., Franz G. Coupled H and Nb, Cr, and V trace element behavior in synthetic rutile at 600°C, 400 MPa and possible geological application // Am. Mineral. 2013. Vol. 98. P. 7–18. DOI: https://doi.org/10.2138/am.2013.4183

26. Benjwal P., Kar K. K. Removal of methylene blue from wastewater under a low power irradiation source by Zn, Mn co-doped TiO₂ photocatalysts // RSC Adv. 2015. Vol. 5. P. 98166–98176. DOI: https://doi.org/10.1039/C5RA19353B

27. Sekhar M. C., Reddy B. P., Vattikuti S. V. P., Shanmugam G., Ahn C.-H., Park S.-H. Structural, magnetic, and catalytic properties of Mn-doped titania nanoparticles synthesized by a sol–gel process // J. Clust. Sci. 2018. Vol. 29. P. 1255–1267. DOI: https://doi.org/10.1007/s10876-018-1437-8

28. Silversmit G., Depla D., Poelman H., Marin G. B., De Gryse R. Determination of the V 2p XPS binding energies for different vanadium oxidation states (V⁵⁺ to V⁰⁺) // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2004. Vol. 135. P. 167–175. DOI: https://doi.org/10.1016/j.elspeС. 2004.03.004

29. Qiao H., Zhu X., Zheng Z., Liu L., Zhang L. Synthesis of V₃O₇⋅H₂O nanobelts as cathode materials for lithium-ion batteries // Electrochem. Commun. 2006. Vol. 8. P. 21–26. DOI: https://doi.org/10.1016/j.elecom.2005.10.021

30. Li G., Pang S., Wang Z., Peng H., Zhang Z. Synthesis of H₂V₃O₈ single-crystal nanobelts // Eur. J. Inorg. Chem. 2005. P. 2060–2063. DOI: https://doi.org/10.1002/ejiС. 200400967

31. Lei Y., Li J., Wang Z., Sun J., Chen F., Liu H., Ma X., Liu Z. Atomic-scale investigation of new phase transformation process in TiO₂ nanofibers // Nanoscale. 2017. Vol. 9. P. 4601–4609. DOI: https://doi.org/10.1039/C6NR08046D

32. Cai Y., Wang H.-E., Huang S.-Z., Jin J., Wang C., Yu Y., Li Y., Su B.-L. Hierarchical nanotube-constructed porous TiO₂-B spheres for high performance lithium ion batteries // Sci. Rep. 2015. Vol. 5. Article ID 11557. DOI: https://doi.org/10.1038/srep11557

33. Qu J., Cloud J. E., Yang Y., Ding J., Yuan N. Synthesis of nanoparticles-deposited double-walled TiO₂-B nanotubes with enhanced performance for lithium-ion batteries // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. Vol. 6. P. 22199–22208. DOI: https://doi.org/10.1021/am505893q

34. Hu H., Yu L., Gao X., Lin Z., Lou X. W. (D.) Hierarchical tubular structures constructed from ultrathin TiO₂(B) nanosheets for highly reversible lithium storage // Energy Environ. Sci. 2015. Vol. 8. P. 1480–1483. DOI: https://doi.org/10.1039/C5EE00101C

35. Коленько Ю. В. Синтез нанокристаллических материалов на основе диоксида титана с использованием гидротермальных и сверхкритических растворов : дис. … канд. хим. наук / Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова. М., 2004. 161 с.

36. Li X., Li M., Liang J., Wang X., Yu K. Growth mechanism of hollow TiO₂(B) nanocrystals as powerful application in lithium-ion batteries // J. Alloy. Compd. 2016. Vol. 681. P. 471–476. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.04.086

37. Beuvier T., Richard-Plouet M., Le Granvalet-Mancini M., Brousse T., Crosnier O., Brohan L. TiO₂(B) nanoribbons as negative electrode material for lithium ion batteries with high rate performance // Inorg. Chem. 2010. Vol. 49. P. 8457–8464. DOI: https://doi.org/10.1021/ic1010192

38. Madian M., Eychmüller A., Giebeler L. Current Advances in TiO₂-based nanostructure electrodes for high performance lithium ion batteries // Batteries. 2018. Vol. 4. Article ID 7. DOI: https://doi.org/10.3390/batteries4010007

39. Zhang Y., Fu Q., Xu Q., Yan X., Zhang R., Guo Z., Du F., Wei Y., Zhang D., Chen G. Improved electrochemical performance of nitrogen doped TiO₂B nanowires as anode materials for Li-ion batteries // Nanoscale. 2015. Vol. 7. P. 12215–12224. DOI: https://doi.org/10.1039/C5NR02457A

40. Опра Д. П., Гнеденков С. В., Синебрюхов С. Л., Устинов А. Ю., Подгорбунский А. Б., Соколов А. А. Влияние изовалентного допирования ионами Zr⁴⁺ на электрохимическое поведение TiO₂(B) // Журн. неорг. химии. 2019. Т. 64, № 5. С. 553–562. DOI: https://doi.org/10.1134/S0044457X19050143

Журнал:

2020. Т. 20, № 1,

Рубрика:

Литиевые электрохимические системы

DOI:

https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-3-19

Текст в формате PDF:

скачать

(downloads: 202)