Cd|KOH|NiOOH

Zn|NH4CI|MnO2

Li|LiClO4|MnO2

Pb|H2SO4|PbO2

H2|KOH|O2

Функциональное поведение материалов на основе фосфата железа(II)-лития со структурой трифилит в литий-аккумулирующей системе с водным электролитом

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

DOI: https://doi.org/10.18500/1608-4039-2017-17-1-37-55

Среди электродных материалов, применяемых или перспективных для применения в литий-ионных аккумуляторах, примечательны такие, рабочее состояние которых находится в диапазоне потенциалов устойчивости воды, что определяет возможность применения пожаробезопасных водных электролитов в литий-аккумулирующей системе на основе этих материалов. Рассмотрено функциональное поведение в водном электролите одного из них, фосфата железа(II)-лития со структурой трифилит, полученного высокотемпературным синтезом в механически активированной системе, а также влияние добавок марганца(II), оксидов олова(IV) или вольфрама(VI) на это поведение и структурные параметры трифилита. Показано, что модификация оксидом олова(IV) наиболее эффективна из рассмотренных.

Литература

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

2. Marcinek M., Syzdek J., Marczewski M., Piszcz M., Niedzicki L., Kalita M., Plewa-Marczewska A., Bitner A., Wieczorek P., Trzeciak T., Kasprzyk M., Łęzak P., Zukowska Z., Zalewska A., Wieczorek W. Electrolytes for Li-ion transport – Review // Solid State Ionics. 2015. Vol. 276. P. 107–126.

3. Maleki H., Deng G., Anani A., Howard J. Thermal stability studies of Li-ion cells and components // J. Electrochem. Soc. 1999. Vol. 146, № 9. P. 3224–3229.

4. Arai H., Tsuda M., Saito K., Hayashi M., Sakurai Y. Thermal reactions between delithiated lithium nickelate and electrolyte solutions // J. Electrochem. Soc. 2002. Vol. 149, № 4. P. A401–A406.

5. MacNeil D. D., Lu Z., Chen Z., Dahn J. R. A comparison of the electrode / electrolyte reaction at elevated temperatures for various Li-ion battery cathodes // J. Power Sources. 2002. Vol. 108, № 1–2. P. 8–14.

6. Nanjundaswamy K. S., Padhi A. K., Goodenough J. B., Okada S., Ohtsuka H., Arai H., Yamaki J. Synthesis, redox potential evaluation and electrochemical characteristics of NASICON-related-3D framework compounds // Solid State Ionics. 1996. Vol. 92, № 1–2. P. 1–10.

7. Padhi A. K., Nanjundaswamy K. S., Goodenough J. B. Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries // J. Electrochem. Soc. 1997. Vol. 144, № 4. P. 1188–1194.

8. Huang H., Faulkner T., Barker J., Saidi M. Y. Lithium metal phosphates, power and automotive applications // J. Power Sources. 2009. Vol. 189, № 1. P. 748–751.

9. Zhang Y., Sun C. S., Zhou Z. Sol-gel preparation and electrochemical performances of LiFe1/3Mn1/3Co1/3PO4/C composites with core-shell nanostructure // Electrochem. Comm. 2009. Vol. 11, № 6. P. 1183–1186.

10. Ellis B. L., Town K., Nazar L. F. New composite materials for lithium-ion batteries // Electrochim. Acta. 2012. Vol. 84. P. 145–154.

11. Rousse G., Tarascon J. M. Sulfate-based polyanionic compounds for Li-Ion batteries: Synthesis, crystal chemistry, and electrochemistry aspects // Chem. Mater. 2014. Vol. 26, № 1. P. 394–406.

12. Li W., McKinnon W. R., Dahn J. R. Lithium Intercalation from Aqueous Solutions // J. Electrochem. Soc. 1994. Vol. 141, № 9. P. 2310–2316.

13. Li W., Dahn J. R., Wainwright D. S. Rechargeable lithium batteries with aqueous electrolytes // Science. 1994. Vol. 264, № 5162. P. 1115–1118.

14. Li W., Dahn J. R. Lithium-Ion Cells with Aqueous Electrolytes // J. Electrochem. Soc. 1995. Vol. 142, № 6. P. 1742–1746.

15. Manjunatha H., Suresh G. S., Venkatesha T. V. Electrode materials for aqueous rechargeable lithium batteries // J. Solid State Electrochem. 2011. Vol. 15, № 3. P. 431–445.

16. Kim H., Hong J., Park K. Y., Kim H., Kim S. W., Kang K. Aqueous rechargeable Li and Na ion batteries // Chem. Rev. 2014. Vol. 114, № 23. P. 11788–11827.

17. Tian L., Yuan A. Electrochemical performance of nanostructured spinel LiMn2O4 in different aqueous electrolytes // J. Power Sources. 2009. Vol. 192, № 2. P. 693–697.

18. Jayalakshmi M., Rao M. M., Scholz F. Electrochemical behavior of solid lithium manganate (LiMn2O4) in aqueous neutral electrolyte solutions // Langmuir. 2003. Vol. 19, № 20. P. 8403–8408.

19. Wang Y. G., Xia Y. Y. Hybrid aqueous energy storage cells using activated carbon and lithium-intercalated compounds: I. The C/LiMn2O4 system // J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153, № 2. P. A450–A454.

20. Wang Y. G., Luo J. Y., Wang C. X., Xia Y. Y. Hybrid aqueous energy storage cells using activated carbon and lithium-ion intercalated compounds: II. Comparison of LiMn2O4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, and LiCoO2 positive electrodes // J. Electrochem. Soc. 2006. Vol. 153, № 8. P. A1425–A1431.

21. Yuan A., Tian L., Xu W., Wang Y. Al-doped spinel LiAl0.1Mn1.9O4 with improved high-rate cyclability in aqueous electrolyte // J. Power Sources. 2010. Vol. 195, № 15. P. 5032–5038.

22. Stojković I. B., Cvjetićanin N. D., Mentus S. V. The improvement of the Li-ion insertion behaviour of Li1.05Cr0.10Mn1.85O4 in an aqueous medium upon addition of vinylene carbonate // Electrochem. Comm. 2010. Vol. 12, № 3. P. 371–373.

23. Deutscher R. L., Florence T. M., Woods R. Investigations on an aqueous lithium secondary cell // J. Power Sources. 1995. Vol. 55, № 1. P. 41–46.

24. Yuan A., Zhang Q. A novel hybrid manganese dioxide/activated carbon supercapacitor using lithium hydroxide electrolyte // Electrochem. Comm. 2006. Vol. 8, № 7. P. 1173–1178.

25. Qu Q., Zhang P., Wang B., Chen Y., Tian S., Wu Y., Holze R. Electrochemical performance of MnO2 nanorods in neutral aqueous electrolytes as a cathode for asymmetric supercapacitors // J. Phys. Chem. С. 2009. Vol. 113, № 31. P. 14020–14027.

26. Ruffo R., Wessells C., Huggins R. A., Cui Y. Electrochemical behavior of LiCoO2 as aqueous lithium-ion battery electrodes // Electrochem. Comm. 2009. Vol. 11, № 2. P. 247–249.

27. Tang W., Liu L. L., Tian S., Li L., Yue Y. B., Wu Y. P., Guan S. Y., Zhu K. Nano-LiCoO2 as cathode material of large capacity and high rate capability for aqueous rechargeable lithium batteries // Electrochem. Comm. 2010. Vol. 12, № 11. P. 1524–1526.

28. Ruffo R., La Mantia F., Wessells C., Huggins R. A., Cui Y. Electrochemical characterization of LiCoO2 as rechargeable electrode in aqueous LiNO3 electrolyte // Solid State Ionics. 2011. Vol. 192, № 1. P. 289–292.

29. Shivashankaraiah R. B., Manjunatha H., Mahesh K. C., Suresh G. S., Venkatesha T. V. Electrochemical characterization of polypyrrole-LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 composite cathode material for aqueous rechargeable lithium batteries // J. Solid State Electrochem. 2012. Vol. 16, № 3. P. 1279–1290.

30. Wang F., Xiao S., Chang Z., Yang Y., Wu Y. Nanoporous LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 as an ultra-fast charge cathode material for aqueous rechargeable lithium batteries // Chem. Comm. 2013. Vol. 49, № 80. P. 9209–9211.

31. Manickam M., Singh P., Thurgate S., Prince K. Redox behavior and surface characterization of LiFePO4 in lithium hydroxide electrolyte // J. Power Sources. 2006. Vol. 158, № 1. P. 646–649.

32. He P., Liu J. L., Cui W. J., Luo J. Y., Xia Y. Y. Investigation on capacity fading of LiFePO4 in aqueous electrolyte // Electrochim. Acta. 2011. Vol. 56, № 5. P. 2351–2357.

33. Minakshi M. Lithium intercalation into amorphous FePO4 cathode in aqueous solutions // Electrochim. Acta. 2010. Vol. 55, № 28. P. 9174–9178.

34. Minakshi M., Singh P., Thurgate S., Prince K. Electrochemical behavior of olivine-type LiMnPO4 in aqueous solutions // Electrochem. Solid-State Lett. 2006. Vol. 9, № 10. P. A471–A474.

35. Manjunatha H., Venkatesha T. V., Suresh G. S. Electrochemical studies of LiMnPO4 as aqueous rechargeable lithium-ion battery electrode // J. Solid State Electrochem. 2012. Vol. 16, № 5. P. 1941–1952.

36. Zhang M., Dahn J. R. Electrochemical lithium intercalation in VO2(B) in aqueous electrolytes // J. Electrochem. Soc. 1996. Vol. 143, № 9. P. 2730–2735.

37. Wang F., Liu Y., Liu C. Y. Hydrothermal synthesis of carbon/vanadium dioxide core-shell microspheres with good cycling performance in both organic and aqueous electrolytes // Electrochim. Acta. 2010. Vol. 55, № 8. P. 2662–2666.

38. Wu C., Hu Z., Wang W., Zhang M., Yang J., Xie Y. Synthetic paramontroseite VO2 with good aqueous lithium-ion battery performance // Chem. Comm. 2008. № 33. P. 3891–3893.

39. Cheng C., Li Z. H., Zhan X. Y., Xiao Q. Z., Lei G. T., Zhou X. D. A macaroni-like Li1.2V3O8 nanomaterial with high capacity for aqueous rechargeable lithium batteries // Electrochim. Acta. 2010. Vol. 55, № 15. P. 4627–4631.

40. Wang H., Huang K., Zeng Y., Zhao F., Chen L. Stabilizing cyclability of an aqueous lithium-ion battery LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2/LixV2O5 by Polyaniline Coating on the Anode // Electrochem. Solid-State Lett. 2007. Vol. 10, № 9. P. 199–203.

41. Manickam M., Singh P., Issa T. B., Thurgate S. Electrochemical behavior of anatase TiO2 in aqueous lithium hydroxide electrolyte // J. Appl. Electrochem. 2006. Vol. 36, № 5. P. 599–602.

42. Wang H., Huang K., Zeng Y., Yang S., Chen L. Electrochemical properties of TiP2O7 and LiTi2(PO4)3 as anode material for lithium ion battery with aqueous solution electrolyte // Electrochim. Acta. 2007. Vol. 52, № 9. P. 3280–3285.

43. Sun K., Juarez D. A., Huang H., Jung E., Dillon S. J. Aqueous lithium ion batteries on paper substrates // J. Power Sources. 2014. Vol. 248. P. 582–587.

44. Гридина Н. А., Романова В. О., Чуриков М. А., Чуриков А. В., Иванищева И. А., Запсис К. В., Волынский В. В., Клюев В. В. Исследование катодного материала LiMnyFe1 − yPO4 для литий-ионных аккумуляторов // Электрохим. энергетика. 2013. Т. 13, № 4. С. 181–186.

45. Kosova N. V., Devyatkina E. T., Petrov S. A. Fast and Low Cost Synthesis of LiFePO4 Using Fe3+ Precursor // J. Electrochem. Soc. 2010. Vol. 157, № 11. P. A1247–A1252.

46. Jugović D., Uskoković D. A review of recent developments in the synthesis procedures of lithium iron phosphate powders // J. Power Sources. 2009. Vol. 190, № 2. P. 538–544.

47. Карякин Ю. В., Ангелов И. И. Чистые химические вещества. Изд. 4е, перераб. и доп. М.: Химия, 1974. С. 181–182.

48. Glemser O., Weidelt J., Freund F. Genotypische Oxidhydrate des Wolframs. Zur Frage der Wolframblauverbindungen // Journal of Inorganic and General Chemistry (Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie). 1964. Vol. 332, № 5–6. P. 299–313.

49. Liu S., Yin H., Wang H., He J. Electrochemical performance of WO2 modified LiFePO4/C cathode material for lithium-ion batteries // J. Alloys Compd. 2013. Vol. 561. P. 129–134.

50. Andersson A. S., Kalska B. Häggström L., Thomas J. O. Lithium extraction/insertion in LiFePO4: An X-ray diffraction and Moessbauer spectroscopy study // Solid State Ionics. 2000. Vol. 130, № 1. P. 41–52.

51. Scherrer P. Bestimmung der inneren Struktur und der Größe von Kolloidteilchen mittels Röntgenstrahlen // Kolloidchemie. Ein Lehrbuch, 4 Aufl. / Ed. by R. Zsigmondy. Leipzig, 1922. P. 387–409.

52. Williamson G. K., Hall W. H. X-ray line broadening from filed aluminium and wolfram // Acta Metall. 1953. Vol. 1, № 1. P. 22–31.

53. Галюс З. Теоретические основы электрохимического анализа / пер. с польск. Б. Я. Каплан. М.: Мир, 1974. 552 с.

54. Ziolkowska D., Korona K. P., Hamankiewicz B., Wu S. H., Chen M. S., Jasinski J. B., Kaminska M., Czerwinski A. The role of SnO2 surface coating on the electrochemical performance of LiFePO4 cathode materials // Electrochim. Acta. 2013. Vol. 108. P. 532–539.

55. Кулова Т. Л., Скундин А. М. Простой метод диагностики причин деградации электродов при циклировании литий-ионных аккумуляторов // Электрохим. энергетика. 2011. Т. 11, № 4. С. 171–178.

56. Маркен Ф., Нойдек А., Бонд А. М. Циклическая вольтамперометрия // Электроаналитические методы. Теория и практика / ред. Ф. Шольц. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010. С. 59–104.

Текст в формате PDF:
(downloads: 245)
Файл статьи: