Cd|KOH|NiOOH

Zn|NH4CI|MnO2

Li|LiClO4|MnO2

Pb|H2SO4|PbO2

H2|KOH|O2

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

DOI: 10.18500/1608-4039-2017-2-99-119

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.

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 Li4 + 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 Li4/3Ti5/3O4 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 Li1.33Ti1.67O4 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 Li4/3Ti5/3O4 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[Li1/3Ti5/3]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 Li4 + xTi5O12 // Adv. Mater. 2006. Vol. 18. P. 3169–3173.

18. Zhong Z., Ouyang C., Shi S., Lei M. Ab initio Studies on Li4 + 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 LiMn1.4Ni0.4Cr0.2O4 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.

стр. 99
Текст в формате PDF: 
Файл статьи: