Особенности совместного функционирования пентатитаната лития и фосфата ванадия(III) – лития в литий-аккумулирующей системе

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

DOI: https://doi.org/10.18500/1608-4039-2017-17-2-99-119

Предлагается новая электрохимическая система с отрицательным электродом на основе пентатитаната лития Li₄Ti₅O₁₂, положительным электродом на основе фосфата ванадия(III)-лития Li₃V₂(PO₄)₃, 0.67М раствором хлората(VII) лития LiClO₄ в смеси пропиленкарбоната (ПК) и 1,2-диметоксиэтана (ДМЭ) в качестве электролита и рассматриваются особенности её функционирования. Электродные материалы на основе Li₄Ti₅O₁₂ и Li₃V₂(PO₄)₃ при их тестировании в электрохимической ячейке с электролитом 0.67М LiClO₄ в ПК+ДМЭ и литиевым противоэлектродом демонстрируют высокий уровень удельной ёмкости, её стабильность при циклировании, способность к быстрым накоплению и отдаче заряда. Для ячейки, в которой полностью реализована электрохимическая система (–) Li₄Ti₅O₁₂| 0.67М LiClO₄ в ПК+ДМЭ | Li₃V₂(PO₄)₃ (+) с балансом активных веществ по ёмкости 1:1, наблюдается резкое ухудшение электрохимического поведения от цикла к циклу при тестировании. Приводятся доводы и экспериментальные данные, выделяющие в качестве основной причины наблюдаемого снижения характеристик макета аккумулятора влияние продуктов побочного окисления 1,2-диметоксиэтана на Li₃V₂(PO₄)₃-электроде на функциональное поведение электрода на основе Li₄Ti₅O₁₂. Показано, что преодоление обнаруженной проблемы возможно при оптимизации баланса активных веществ в макете.

Авторы:

Махов Семён Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, semen_mahov@mail.ru

Ушаков Арсений Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, arsenivushakov@ya.ru

Иванищев Александр Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, ivanischevav@inbox.ru

Гридина Нелли Александровна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, nelly-gridina@mail.ru

Чуриков Алексей Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, churikovav@info.sgu.ru

Гамаюнова Ирина Михайловна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, gamay-irina@yandex.ru

Волынский Вячеслав Витальевич, ОАО «Завод АИТ», 410015, г. Саратов, ул. Орджоникидзе, 11, vyacheslavv@list.ru

Клюев Владимир Владимирович, ОАО «Завод АИТ», 410015, г. Саратов, ул. Орджоникидзе, 11, vklyuyev@mail.ru

Ключевые слова:

литий-ионный аккумулятор, электрохимическая система, пентатитанат лития, фосфат ванадия(III)-лития, электролит для литий-ионного аккумулятора, окисление 1, 2–диметоксиэтана, окисление моноглима

Литература

1. Кедринский И. А., Яковлев В. Г. Li-ионные аккумуляторы. Красноярск: Платина. 2002. 268 с.

2. Zhao B., Ran R., Liu M., Shao Z. A comprehensive review of Li₄Ti₅O₁₂-based electrodes for lithium-ion batteries: The latest advancements and future perspectives // Mater. Sci. Eng. R: Reports. 2015. Vol. 98. P. 1–71.

3. Rui X., Yan Q., Skyllas-Kazacos M., Lim T. M. Li₃V₂(PO₄)₃ cathode materials for lithium-ion batteries: A review // J. Power Sources. 2014. Vol. 258. P. 19–38.

4. Liu C., Massé R., Nan X., Cao G. A promising cathode for Li-ion batteries: Li₃V₂(PO₄)₃ // Energy Storage Mater. 2016. Vol. 4. P. 15–58.

5. Ушаков А. В., Чуриков А. В., Иванищев А. В., Гридина Н. А., Волынский В. В., Клюев В. В. Композитные электродные материалы на основе литий-титановой шпинели: синтез, морфология и электрохимические свойства // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: материалы XIII Междунар. конф. (Алматы, Республика Казахстан, 16–19 сентября 2014.). Алматы: Казах. нац. ун-т им. аль-Фараби, 2014. С. 120–122.

6. Ivanishchev A. V., Churikov A. V., Ushakov A. V. Lithium transport processes in electrodes on the basis of Li₃V₂(PO₄)₃ by constant current chronopotentiometry, cyclic voltammetry and pulse chronoamperometry // Electrochim. Acta. 2014. Vol. 122. P. 187–196.

7. Doughty D., Roth E. P. A general discussion of Li ion battery safety // The Electrochem. Soc. Interface. 2012. Vol. 21, № 2. P. 37–44.

8. Hautier G., Jain A., Ong S. P., Kang B., Moore C., Doe R., Ceder G. Phosphates as lithium-ion battery cathodes: An evaluation based on high-throughput ab initio calculations // Chem. Mater. 2011. Vol. 23, № 15. P. 3495–3508.

9. Wilkening M., Iwaniak W., Heine J., Epp V., Kleinert A., Behrens M., Nuspl G., Bensch W., Heitjans P. Microscopic Li self-diffusion parameters in the lithiated anode material Li_4 + xTi₅O₁₂ (0 ≤ x ≤ 3) measured by ⁷Li solid state NMR // Phys. Chem. Chem. Phys. 2007. Vol. 9, № 47. P. 6199–6202.

10. Takami N., Hoshina K., Inagaki H. Lithium Diffusion in Li_4/3Ti_5/3O₄ Particles during Insertion and Extraction // J. Electrochem. Soc. 2011. Vol. 158, № 6. P. A725–A730.

11. Kamata M., Esaka T., Kodama N., Fujine S., Yoneda K., Kanda K. Application of Neutron Radiography to Visualize the Motion of Lithium Ions in Lithium-Ion Conducting Materials // J. Electrochem. Soc. 1996. Vol. 143, № 6. P. 1866–1870.

12. Takai S., Kamata M., Fujine S., Yoneda K., Kanda K., Esaka T. Diffusion coefficient measurement of lithium ion in sintered Li_1.33Ti_1.67O₄ by means of neutron radiography // Solid State Ionics. 1999. Vol. 123, № 1–4. P. 165–172.

13. Fehr K. T., Holzapfel M., Laumann A., Schmidbauer E. DC and AC conductivity of Li_4/3Ti_5/3O₄ spinel // Solid State Ionics. 2010. Vol. 181, № 23–24. P. 1111–1118.

14. Leonidov I. A., Leonidova O. N., Perelyaeva L. A., Samigullina R. F., Kovyazina S. A., Patrakeev M. V. Structure, ionic conduction, and phase transformations in lithium titanate Li₄Ti₅O₁₂ // Physics of the Solid State. 2003. Vol. 45, № 11. P. 2183–2188.

15. Vijayakumar M., Kerisit S., Rosso K. M., Burton S. D., Sears J. A., Yang Z., Graff G. L., Liu J., Hu J. Lithium diffusion in Li₄Ti₅O₁₂ at high temperatures // J. Power Sources. 2011. Vol. 196, № 4. P. 2211–2220.

16. Ohzuku T., Ueda A., Yamamota N. Zero-strain insertion material of Li[Li_1/3Ti_5/3]O₄ for rechargeable lithium cells // J. Electrochem. Soc. 1995. Vol. 142, № 5. P. 1431–1435.

17. Wagemaker M., Simon D., Kelder E., Schoonman J., Ringpfeil C., Haake U., Lützenkirchen-Hecht D., Frahm R., Mulder F. A Kinetic Two-Phase and Equilibrium Solid Solution in Spinel Li_4 + xTi₅O₁₂ // Adv. Mater. 2006. Vol. 18. P. 3169–3173.

18. Zhong Z., Ouyang C., Shi S., Lei M. Ab initio Studies on Li_4 + xTi₅O₁₂ Compounds as Anode Materials for Lithium-Ion Batteries // ChemPhysChem. 2008. Vol. 9, № 14. P. 2104–2108.

19. Jiang S., Zhao B., Chen Y., Cai R., Shao Z. Li₄Ti₅O₁₂ electrodes operated under hurdle conditions and SiO₂ incorporation effect // J. Power Sources. 2013. Vol. 238. P. 356–365.

20. Han C., He Y. B., Liu M., Li B., Yang Q. H., Wong C. P., Kang F. A review of gassing behavior in Li₄Ti₅O₁₂-based lithium ion batteries // J. Mater. Chem. A. 2017. Vol. 5. P. 6368–6381.

21. Sato M., Ohkawa H., Yoshida K., Saito M., Uematsu K., Toda K. Enhancement of discharge capacity of Li₃V₂(PO₄)₃ by stabilizing the orthorhombic phase at room temperature // Solid State Ionics. 2000. Vol. 135. P. 137–142.

22. Huang H., Yin S. C., Kerr T., Taylor N., Nazar L. F. Nanostructured composites: A high capacity, fast rate Li₃V₂(PO₄)₃ / carbon cathode for rechargeable lithium batteries // Adv. Mater. 2002. Vol. 14. P. 1525–1528.

23. Saïdi M. Y., Barker J., Huang H., Swoyer J. L., Adamson G. Electrochemical properties of lithium vanadium phosphate as a cathode material for lithium-ion batteries // Electrochem. Solid-State Lett. 2002. Vol. 5. P. A149–A151.

24. Wang L., Li X., Tang Z., Zhang X. Research on Li₃V₂(PO₄)₃/Li₄Ti₅O₁₂/C composite cathode material for lithium ion batteries // Electrochem. Commun. 2012. Vol. 22. P. 73–76.

25. Yi T. F., Shu J., Zhu Y. R., Zhou A. N., Zhu R. S. Structure and electrochemical performance of Li₄Ti₅O₁₂-coated LiMn_1.4Ni_0.4Cr_0.2O₄ spinel as 5 V materials // Electrochem. Commun. 2009. Vol. 11. P. 91–94.

26. Mao W. F., Zhang N. N., Tang Z. Y., Feng Y. Q., Ma C. X. High rate capability of Li₃V₂(PO₄)₃/C composites prepared via a TPP-assisted carbothermal method and its application in Li₃V₂(PO₄)₃||Li₄Ti₅O₁₂ // J. Alloys Compd. 2014. Vol. 588. P. 25–29.

27. Liu C., Wang S., Zhang C., Fu H., Nan X., Yang Y., Cao G. High power high safety battery with electrospun Li₃V₂(PO₄)₃ cathode and Li₄Ti₅O₁₂ anode with 95% energy efficiency // Energy Storage Mater. 2016. Vol. 5. P. 93–102.

28. Ushakov A. V., Churikov A. V., Ivanishchev A. V., Makhov S. V., Gamayunova I. M. Cyclic Voltammetry and Potentiostatic Intermittent Titration of Li₄Ti₅O₁₂ Based Electrode // XXXVI Modern Electrochemical Methods (Jetřichovice, Czech Republic, May 23–27. 2016). Kvêten, Czech Republic, 2016. P. 268–271.

29. Багоцкий В. С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

30. Kelly R. J. Review of safety guidelines for peroxidizable organic chemicals // Chemical Health & Safety. 1996. Vol. 3, № 5. P. 28–36.

31. Yang C. C., Hu H. C., Lin S. J., Chien W. C. Electrochemical performance of V-doped spinel Li₄Ti₅O₁₂/C composite anode in Li-half and Li₄Ti₅O₁₂/LiFePO₄-full cell // J. Power Sources. 2014. Vol. 258. P. 424–433.

32. Чесноков Б. Б. Глимы // Химическая энциклопедия: в 5 т. Т. 1: А – Дарзана. М.: Сов. энцикл, 1988. С. 582.

33. Антоновский В. Л. Пероксидные соединения органические // Химическая энциклопедия: в 5 т. Т. 3: Медн – Полимерные. М.: Большая Рос. энцикл. 1992. С. 492–493.

34. Тарасевич Б. Н. ИК-спектр основных классов органических соединений. Справочные материалы // Химическая информационная сеть. Наука. Образование. Технология. 2012. URL: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/tarasevich/Tarasevich_IR_tables_29-0... (дата обращения: 25.01.2017).

35. Denisov E. T. Peroxides as hydrogen atom acceptors: Comparison of the reactivity of peroxides and oxygen-centered radicals // Kinet. Catal. 1999. Vol. 40. P. 217–222.

36. Антоновский В. Л., Хурсан С. Л. Физическая химия органических пероксидов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. 391 с.

37. Ingold K. U. Peroxy Radicals // Acc. Chem. Res. 1969. Vol. 2. P. 1–9.

38. Carboni M., Marrani A. G., Spezia R., Brutti S. 1,2-Dimethoxyethane Degradation Thermodynamics in Li-O₂ Redox Environments // Chem. Eur. J. 2016. Vol. 22. P. 17188–17203.

39. Лучинский Г. П. Химия титана. М.: Химия, 1971. 472 с.

40. Spanó E., Tabacchi G., Gamba A., Fois E. On the role of Ti(IV) as a lewis acid in the chemistry of titanium zeolites: Formation, structure, reactivity, and aging of ti-peroxo oxidizing intermediates. A first principles study // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P. 21651–21661.

41. Yudanov I. V., Gisdakis P., Di Valentin C., Rösch N. Activity of peroxo and hydroperoxo complexes of Ti(IV) in olefin epoxidation: A density functional model study of energetics and mechanism // Eur. J. Inorg. Chem. 1999. № 12. P. 2135–2145.

Журнал:

2017. Т. 17, № 2,

Рубрика:

Литиевые электрохимические системы

Текст в формате PDF:

скачать

(downloads: 882)

Файл статьи:

скачать