Наноструктурированный композитный анодный материал TiO2–TiOF2 для Li-ионного аккумулятора

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

Методом импульсного высоковольтного разряда в результате деструкции в плазме титановых электродов и политетрафторэтилена синтезирован наноструктурированный композит TiO₂–TiOF₂. С помощью сканирующей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа, методов инфракрасной, рентгеновской фотоэлектронной и рамановской спектроскопии изучены физико-химические характеристики композита. Установлено, что TiO₂–TiOF₂ представляет собой пористую структуру, включающую нанокристаллиты размером 40–200 нм. Диаметр пор варьируется от 3 до 5 нм. Возможность использования наноструктурированного TiO₂–TiOF₂ в качестве анодного материала Li-ионного аккумулятора оценена по результатам гальваностатического заряда–разряда и циклической вольтамперометрии. Ёмкость Li/TiO₂–TiOF₂, реализованная в ходе разряда первого цикла при плотности тока 20 мА/г, составила 1370 мА·ч/г, что превышает (вследствие присутствия TiO₂) теоретическую ёмкость TiOF₂. 20-кратное циклирование Li/TiO₂–TiOF₂ в диапазоне от 3 до 0.005 В позволило достичь 205 мА·ч/г.

Авторы:

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

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

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

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

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

Сергиенко Валентин Иванович, Институт химии Дальневосточного отделения РАН, 690022, г. Владивосток, пр. 100-летия Владивостока, 159д, sergienkovi@yandex.ru

Ключевые слова:

оксифторид титана, диоксид титана, Li-ионный аккумулятор, наноструктурированный материал

Литература

1. Li S., Chen C., Fu K., Xue L., Zhao C., Zhang S., Hu Y., Zhou L., Zhang X. Comparison of Si/C, Ge/C and Sn/C composite nanofiber anodes used in advanced lithium-ion batteries // Solid State Ionics. 2014. Vol. 254. P. 17–26.
2. Hu Y., Xu K., Kong L., Jiang H., Zhang L., Li C. Flame synthesis of single crystalline SnO nanoplatelets for lithium-ion batteries // Chem. Eng. J. 2014. Vol. 242. P. 220–225.
3. Harada Y., Hoshina K., Inagaki H., Takami N. Influence of synthesis conditions on crystal formation and andelectrochemical properties of TiO₂(B) particles as anode materials for lithium-ion batteries // Electrochim. Acta. 2013. Vol. 112. P. 310–317.
4. Wang D., Wu X., Zhang Y., Wang J., Yan P., Zhang C., He D. The influence of the TiO₂ particle size on the properties of Li₄Ti₅O₁₂ anode material for lithium-ion battery // Ceram. Intern. 2014. Vol. 40. P. 3799–3804.
5. Бердников А. Е., Геращенко В. Н., Гусев В. Н., Кулова Т. Л., Метлицкая А. В., Мироненко А. А., Рудый А. С., Скундин А. М. Кремнийсодержащий нанокомпозит для тонкоплёночного литий-ионного аккумулятора // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, № 7. С. 73–78.
6. Ryu W. H., Nam D. H., Ko Y. S., Kim R. H., Kwon H. S. Electrochemical performance of a smooth and highly ordered TiO₂ nanotube electrode for Li-ion batteries // Electrochim. Acta. 2012. Vol. 61. P. 19–24.
7. Кулова Т. Л. Новые электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов (Обзор) // Электрохимия. 2013. Т. 49, № 1. С. 3–28.
8. Цивадзе A. Ю., Кулова Т. Л., Скундин A. М. Фундаментальные проблемы литий-ионных аккумуляторов // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. Т. 49, № 2. С. 149–154.
9. Schweikert N., Hahn H., Indris S. Cycling behaviour of Li/Li₄Ti₅O₁₂ cells studied by electrochemical impedance spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. Vol. 13. P. 6234–6240.
10. Альвиев Х. Х. Зависимость ёмкости нанотитаната лития от тока разряда // Электрохим. энергетика. 2013. Т. 13, № 4. С. 219–224.
11. Ren Z., Chen C., Fu X., Wang J., Fan C., Qian G., Wang Z. TiO₂/C composites nanorods synthesized by internal-reflux method for lithium-ion battery anode materials // Mater. Lett. 2014. Vol. 17. P. 124–127.
12. Кулова Т. Л., Скундин A. M. Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов нового поколения // Электрохимия. 2012. Т. 48, № 3. С. 362–368.
13. Коцюбинский В. О., Челядын В. Л., Ильницкий Р. В., Миронюк И. Ф., Мокляк В. В., Колковский П. И. Кинетика электрохимической интеркаляции Li⁺ в анатаз, синтезированный золь-гель методом // Электрохим. энергетика. 2011. Т. 11, № 4. С. 179–183.
14. Способ получения нанодисперсного фторорганического материала: Пат. 2341536 РФ: C08F114/26, C08J11/10, B82B3/00, C08J3/28, C08J11/04. / Курявый В. Г., Бузник В. М.; заявитель и патентообладатель Институт химии ДВО РАН. – № 2007129178/04; заявл. 30.07.2007; опубл. 20.12.2008, Бюл. № 35. – 8 с.
15. Курявый В. Г. Нанообъекты в порошках, полученных при деструкции электродов в плазме высоковольтного разряда // Вестн. ДВО РАН. 2011. № 5. C. 36–44.
16. Shian S., Sandhage K. H. A gas-tight CuK_α X-ray transparent reaction chamber for high-temperature X-ray diffraction analyses of halide gas/solid reactions // Rev. Sci. Instrum. 2009. Vol. 80. P. 115108.
17. Zhang Y., Gregg D. J., Lumpkin G. R., Begg B. D., Jovanovic M. The incorporation of neptunium and plutonium in thorutite (ThTi₂O₆) // J. Alloy. Compd. 2013. Vol. 581. P. 665–670.
18. Cui B., Sa R., Jayaseelan D. D., Inam F., Reece M. J., Lee W. E. Microstructural evolution during high-temperature oxidation of Ti2AlN ceramics // Adv. Sci. Tech. 2010. Vol. 65. P. 106–111.
19. He Z., Que W., Chen J., He Y., Wang G. Surface chemical analysis on the carbon-doped mesoporous TiO₂ photocatalysts after post-thermaltreatment: XPS and FTIR characterization // J. Phys. Chem. Solids. 2013. Vol. 74. P. 924–928.
20. Zeng Y., Zhang W., Xu C., Xiao N., Huang Y., Yu D. Y., Hng H. H., Yan Q. One-step solvothermal synthesis of single-crystalline TiOF₂ nanotubes with high lithium-ion battery performance // Chem.: Eur. J. 2012. Vol. 18. P. 4026–4030.
21. Laptash N. M., Maslennikova I. G., Kaidalova T. A. Ammonium oxofluorotitanates // J. Fluorine Chem. 1999. Vol. 99. P. 133–137.
22. Swamy V., Kuznetsov A., Dubrovinsky L. S., Caruso R. A., Shchukin D. G., Muddle B. C. Finite-size and pressure effects on the Raman spectrum of nanocrystalline anatase TiO₂ // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 71. P. 184302–184313.
23. Шульга Ю. М., Матюшенко Д. В., Кабачков Е. Н., Колесникова А. М., Куркин Е. Н., Домашнев И. А., Бричкин С. Б. Корреляция частоты колебания Eg₍₁₎ и полуширины пика (101) на рентгенограмме наноразмерных частиц анатаза TiO₂ // Журн. техн. физики. 2010. Т. 80, № 1. С. 142–144.
24. Шульга Ю. М., Кабачков Е. Н., Матюшенко Д. В., Куркин Е. Н., Домашнев И. А. Термостимулированные превращения в брукитсодержащих нанопорошках TiO₂, полученных гидролизом TiCl₄ // Журн. техн. физики. 2011. Т. 81, № 1. С. 101–105.
25. Wen C. Z., Hu Q. H., Guo Y. N., Gong X. Q., Qiao S. Z. From titanium oxydifluoride (TiOF₂) to titania (TiO₂): phase transition and non-metal doping with enhanced photocatalytic hydrogen (H₂) evolution properties // Chem. Commun. 2011. Vol. 47. P. 6138–6140.
26. Гнеденков С. В., Опра Д. П., Синебрюхов С. Л., Цветников А. К., Устинов А. Ю., Сергиенко В. И. Литиевые химические источники тока на основе гидролизного лигнина // Электрохим. энергетика. 2013. Т. 13, № 1. С. 23–33.
27. Li D., Haneda H., Hishita S., Ohashi N., Labhsetwar N. K. Fluorine-doped TiO₂ powders prepared by spray pyrolysis and their improved photocatalytic activity for decomposition of gas-phase acetaldehyde // J. Fluorine Chem. 2005. Vol. 126. P. 69–77.
28. Liang Y. Q., Cui Z. D., Zhu S. L., Liu Y., Yang X. J. Silver nanoparticles supported on TiO₂ nanotubes as active catalysts for ethanol oxidation // J. Catal. 2011. Vol. 278. P. 276–287.
29. Gnedenkov S. V., Opra D. P., Sinebryukhov S. L., Tsvetnikov A. K., Ustinov A. Y., Sergienko V. I. Hydrolysis lignin: electrochemical properties of the organic cathode material for primary lithium battery // J. Ind. Eng. Chem. 2014. Vol. 20. P. 903–910.
30. Reddy M. V., Madhavi S., Rao G. V. S., Chowdari B. V. R. Metal oxyfluorides TiOF₂ and NbO₂F as anodes for Li-ion batteries // J. Power Sources. 2006. V. 162. P. 1312–1321.
31. Chen L., Shen L., Nie P., Zhang X., Li H. Facile hydrothermal synthesis of single crystalline TiOF₂ nanocubes and their phase transitions to TiO₂ hollow nanocages as anode materials for lithium-ion battery // Electrochim. Acta. 2012. Vol. 62. P. 408–415.
32. Безносов С. Н., Пятибратов М. Г., Федоров О. В., Кулова Т. Л., Скундин А. М. Электрохимические характеристики наноструктурированного материала на основе модифицированных жгутиков галофильной археи Halobacterium salinarum для отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6, № 11–12. С. 43–47.
33. Subramanian V., Karki A., Gnanasekar K. I., Eddy F. P., Rambabu B. Nanocrystalline TiO₂ (anatase) for Li-ion batteries // J. Power Sources. 2006. Vol. 159. P. 186–192.
34. Choi M. G., Lee Y. G., Song S. W., Kim K. M. Lithium-ion battery anode properties of TiO₂ nanotubes prepared by the hydrothermal synthesis of mixed (anatase and rutile) particles // Electrochim. Acta. 2010. Vol. 55. P. 5975–5983.

Журнал:

2014. Т. 14, № 2,

Рубрика:

Литиевые электрохимические системы

DOI:

https://doi.org/10.18500/1608-4039-2014-14-2-68-77

Текст в формате PDF:

скачать

(downloads: 63)