Легированный марганцем диоксид титана с улучшенными электрохимическими характеристиками для литий-ионных аккумуляторов

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

В работе изучен механизм влияния примеси марганца на электрохимические характеристики диоксида титана в модификации анатаз (Mn/Ti = 0.05; 0.1; 0.2). Установлено, что введение Mn³⁺ в структуру TiO₂ приводит к образованию твердого раствора Ti_1 − xMn_xO₂ и сопровождается увеличением объема элементарной ячейки с 136.41 Å³ (недопированный образец) до 137.25 Å³ (Mn/Ti = 0.05). Для легированного TiO₂ обнаружено повышение электропроводности приблизительно на два порядка. На электроде из Ti_0.95Mn_0.05O₂ зафиксирована ёмкость 186 мА⋅ч/г после 30 циклов заряда/разряда в режиме C/10, что выше чем для недопированного TiO₂ (87 мА⋅ч/г) В условиях повышенной токовой нагрузки 2С легированный диоксид титана (Mn/Ti = 0.05) сохраняет обратимую ёмкость около 121 мА⋅ч/г.

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

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

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

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

Ключевые слова:

литий-ионный аккумулятор, анод, диоксид титана, анатаз, допирование, циклируемость

Литература

1. Кулова Т. Л. Новые электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов (Обзор) // Электрохимия. 2013, Т. 49. С. 3–28. DOI: https://doi.org/10.7868/S04248570130101185

2. Ivanishchev A. V., Ushakov A. V., Ivanishcheva I. A., Churikov A. V., Mironov A. V., Fedotov S. S., Khasanova N. R., Antipov E. V. Structural and electrochemical study of fast Li diffusion in Li₃V₂(PO₄)₃-based electrode material // Electrochim. Acta. 2017. Vol. 230. P. 479–491. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.02.009

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. Khan M. A., Yang J., Kang Y.-M. Facile synthesis of low cost anatase titania nanotubes and its electrochemical performance // Electrochim. Acta. 2015. Vol. 182. P. 629–638. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.09.149

5. Madej E., La Mantia F., Mei B., Klink S., Muhler M., Schuhmann W., Ventosa E. Reliable benchmark material for anatase TiO₂ in Li-ion batteries : On the role of dehydration of commercial TiO₂ // J. Power Sources. 2014. Vol. 266. P. 155–161. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.05.018

6. Armstrong G., Armstrong A. R., Bruce P. G., Reale P., Scrosati B. TiO₂(B) nanowires as an improved anode material for lithium-ion batteries containing LiFePO₄ or LiNi_0.5Mn_1.5O₄ cathodes and a polymer electrolyte // J. Adv. Mater. 2006. Vol. 18. P. 2597–2600. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.200601232

7. Махов С. В., Ушаков А. В., Иванищев А. В., Гридина Н. А., Чуриков А. В., Гамаюнова И. М., Волынский В. В., Клюев В. В. Особенности совместного функционирования пентатитаната лития фосфата ванадия(III)–лития в литий-аккумулирующей системе // Электрохимическая энергетика. 2017. Т. 17, № 2. С. 99–119. DOI: https://doi.org/10.18500/1608-4039-2017-2-99-119

8. Ushakov A. V., Makhov S. V., Gridina N. A., Ivanishchev A. V., Gamayunova I. M. Rechargeable lithium-ion system based on lithium-vanadium(III) phosphate and lithium titanate and the peculiarity of it functioning // Monatsh. Chem. 2019. Vol. 150, iss. 3. P. 499–509. DOI: https://doi.org/10.1007/s00706-019-2374-4

9. Redel K., Kulka A., Plewa A., Molendaz J. High-performance Li-rich layered transition metal oxide cathode materials for Li-ion batteries // J. Electrochem. Soc. 2019. Vol. 166. P. A5333–A5342. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0511903jes

10. Game O., Kumari T., Singh U., Aravindan V., Madhavi S., Ogale S. B. (001) faceted mesoporous anatase TiO₂ microcubes as superior insertion anode in practical Li-ion configuration with LiMn₂O₄ // Energy Storage Materials. 2016. Vol. 3. P. 106–112. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2016.01.012

11. Jeong J.-H., Jung D., Shin E. W., Oh E.-S. Boron-doped TiO₂ anode materials for high-rate lithium ion batteries // J. Alloys Compd. 2014. Vol. 604. P. 226–232. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.03.069

12. Han C., Yang D., Yang Y., Jiang B., He Y., Wang M., Song A.-Y., He Y.-B., Li B., Lin Z. Hollow titanium dioxide spheres as anode material for lithium ion battery with largely improved rate stability and cycle performance by suppressing the formation of solid electrolyte interface layer // J. Mater. Chem. A. 2015. Vol. 3. P. 13340–13349. DOI: https://doi.org/10.1039/c5ta02070k

13. Lupo F. Di, Tuel A., Mendez V., Francia C., Meligrana G., Bodoardo S., Gerbaldi C. Mesoporous TiO₂ nanocrystals produced by a fast hydrolytic process as high-rate long-lasting Li-ion battery anodes // Acta Mater. 2014. Vol. 69. P. 60–67. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.01.057

14. Yi T.-F., Yang S.-Y., 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. 5750–5777. DOI: https://doi.org/10.1039/C4TA06882C

15. Lewis C. S., Li Y. R., 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

16. Kyeremateng N. A., Vacandio F., Sougrati M.T., Martinez H., Jumas J.-C., Knauth P., Djenizian T. Effect of Sn-doping on the electrochemical behaviour of TiO₂ nanotubes as potential negative electrode materials for 3D Li-ion micro batteries // J. Power Sources. 2013. Vol. 224. P. 269–277. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.09.104

17. Opra D. P., Gnedenkov S. V., Sinebryukhov S. L., Voit E. I., Sokolov A. A., Modin E. B., Podgorbunsky A. B., Sushkov Y. V., Zheleznov V. V. Characterization and electrochemical properties of nanostructured Zr-doped anatase TiO₂ tubes synthesized by sol-gel template route // J. Mater. Sci. Technol. 2017. Vol. 33. P. 527–534. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2016.11.011

18. Gnedenkov S. V., Sinebryukhov S. L., Zheleznov V. V., Opra D. P., Voit E. I., Modin E. B., Sokolov A. A., Ustinov A. Yu., Sergienko V. I. Effect of Hf-doping on electrochemical performance of anatase TiO₂ as an anode material for lithium storage // Royal Society Open Science. 2018. Vol. 58. Article ID 171811. DOI: https://doi.org/10.1098/rsos.171811

19. Lai Y., Liu W., Fang J., Qin F., Wang M., Yu F., Zhang K. Fe-doped anatase TiO₂ / carbon composite as an anode with superior reversible capacity for lithium storage // RSC Advances. 2015. Vol. 5. P. 93676–93683. DOI: https://doi.org/10.1039/c5ra19518g

20. Thi T. V., Rai A. K., Gim J., Kim S., Kim J. Effect of Mo⁶⁺ doping on electrochemical performance of anatase TiO₂ as a high performance anode material for secondary lithium-ion batteries // J. Alloys Compd. 2014. Vol. 598. P. 16–22. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.02.019

21. Wang Y., Smarsly B. M., Djerdj I. Niobium doped TiO₂ with mesoporosity and its application for lithium insertion // Chem. Mater. 2010. Vol. 22. P. 6624–6631. DOI: https://doi.org/10.1021/cm1020977

22. Wang Y., Chen T., Mu Q. Electrochemical performance of W-doped anatase TiO₂ nanoparticles as an electrode material for lithium-ion batteries // J. Mater. Chem. 2011. Vol. 21. P. 6006–6013. DOI: https://doi.org/10.1039/c0jm04275g

23. Ali Z., Cha S. N., Sohn J. I., Shakir I., Yan C., Kim J. M., Kang D. J. Design and evaluation of novel Zn doped mesoporous TiO₂ based anode material for advanced lithium ion batteries // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22. P. 17625–17629. DOI: https://doi.org/10.1039/c2jm33315e

24. Anh L. T., Rai A. K., Thi T. V., Gim J., Kim S., Shin E.-C., Lee J.-S., Kim J. Improving the electrochemical performance of anatase titanium dioxide by vanadium doping as an anode material for lithium-ion batteries // J. Power Sources. 2013. Vol. 243. P. 891–898. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.06.080

25. 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 : Physicochemical and Engineering Aspects. 2010. Vol. 372. P. 107–114. DOI: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2010.09.037

26. 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 // Progress in Natural Science : Materials International. 2018. Vol. 28. P. 542–547. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pnsС.~2018.08.001

27. Lin C. Y. W., Nakaruk A., Sorrell C. C. Mn-doped titania thin films prepared by spin coating // Prog. Org. Coat. 2012. Vol. 74. P. 645–647. DOI: https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2011.09.030

28. 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 Advances. 2015. Vol. 5. P. 98166–98176. DOI: https://doi.org/10.1039/C5RA19353B

29. 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. Cluster Sci. 2018. Vol. 29. P. 1255–1267. DOI: https://doi.org/10.1007/s10876-018-1437-8

30. Biesinger M. C., Payne B. P., Grosvenor A. P., Lau L. W. M., Gerson A. R., Smart R. St.C. Resolving surface chemical states in XPS analysis of first row transition metals, oxides and hydroxides : Cr, Mn, Fe, Co and Ni // Appl. Surf. Sci. 2011. Vol. 257. P. 2717–2730. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusС.~2010.10.051

31. Jing M., Li J., Han C., Yao S., Zhang J., Zhai H., Chen L., Shen X., Xiao K. Electrospinning preparation of oxygen-deficient nano TiO_2 − x / carbon fibre membrane as a self-standing high performance anode for Li-ion batteries // Royal Society Open Science. 2017. Vol. 4. Article ID 170323. DOI: https://doi.org/10.1098/rsos.170323

32. Andreozzi G. B., Cellucci F., Gozzi D. High-temperature electrical conductivity of FeTiO₃ and ilmenite // J. Mater. Chem. 1996. Vol. 6. P. 987–991. DOI: https://doi.org/10.1039/JM9960600987

33. Siwiсska-Stefaсskaa K., Kur B. A composite TiO₂-SiO₂-ZrO₂ oxide system as a high-performance anode material for lithium-ion batteries // J. Electrochem. Soc. 2017. Vol. 164. P. A728–A734. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0911704jes

34. Liu H.-L., Zhao W., Li R.-Z., Huang X.-Y., Tang Y.-F., Li D.-M., Huang F.-Q. Facile synthesis of reduced graphene oxide in-situ wrapped MnTiO₃ nanoparticles for excellent lithium storage // J. Inorg. Mater. 2018. Vol. 33. P. 1022–1028. DOI: https://doi.org/10.15541/jim20180143

35. Guo S., Liu J., Qiu S., Liu W., Wang Y., Wu N., Guo J., Guo Z. Porous ternary TiO₂ / MnTiO₃/C hybrid microspheres as anode materials with enhanced electrochemical performances // J. Mater. Chem. A. 2015. Vol. 3. P. 23895–23904. DOI: https://doi.org/10.1039/C5TA06437F

36. Lei C., Gou Q., Li C., Zhang X., Zhang B., Huang D. Facile synthesis of porous ternary MnTiO₃ / TiO₂ / C composite with enhanced electrochemical performance as anode materials for lithium ion batteries // Energy Technology. 2018. Vol. 7, iss. 5. 1800761(1–11). DOI: https://doi.org/10.1002/ente.201800761

37. Li T., Guo C., Sun B., Li T., Li Y., Hou L., Wei Y. Well-shaped Mn₃O₄ tetragonal bipyramids with good performance for lithium ion batteries // J. Mater. Chem. A. 2015. Vol. 3. P. 7248–7254. DOI: https://doi.org/10.1039/C4TA05821F

38. Jian G., Xu Y., Lai L.-C., Wang C., Zachariah M. R. Mn₃O₄ hollow spheres for lithium-ion batteries with high rate and capacity // J. Mater. Chem. A. 2012. Vol. 2. P. 4627–4632. DOI: https://doi.org/10.1039/C4TA05821F

39. Zhang W., Gong Y., Mellott N. P., Liu D., Li J. Synthesis of nickel doped anatase titanate as high performance anode materials for lithium ion batteries // J. Power Sources. 2015. Vol. 276. P. 39–45. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.11.098

40. Ur-Rehman A., Ali G., Badshah A., Chung K. Y., Nam K.-W., Jawad M., Arshadf M., Abbas S. M. Superior shuttling of lithium and sodium ions in manganese-doped titania / functionalized multiwall carbon nanotube anodes // Nanoscale. 2017. Vol. 9. P. 9859–9871. DOI: https://doi.org/10.1039/C7NR01417A

Журнал:

2019. Т. 19, № 3,

Рубрика:

Литиевые электрохимические системы

DOI:

https://doi.org/10.18500/1608-4039-2019-19-3-123-140

Текст в формате PDF:

скачать

(downloads: 200)