ISSN 1608-4039 (Print)
ISSN 1680-9505 (Online)

Для цитирования:

Рыбаков К. С., Ушаков А. В. Применение рентгеновской дифракции operando для выяснения фазовых трансформаций катода LiCoVO₄ // Электрохимическая энергетика. 2022. Т. 22, вып. 4. С. 161-169. DOI: 10.18500/1608-4039-2022-22-4-161-169, EDN: VVLBGN

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 71)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Литиевые электрохимические системы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
544.64
DOI: 
10.18500/1608-4039-2022-22-4-161-169
EDN: 
VVLBGN

Применение рентгеновской дифракции operando для выяснения фазовых трансформаций катода LiCoVO₄

Авторы: 
Рыбаков Кирилл Сергеевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Ушаков Арсений Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Определение характеристик методами in situ или operando очень важно для более глубокого понимания химических и электрохимических процессов, а также процессов деградации, происходящих во время работы литий-ионного аккумулятора.

Предложен вариант электрохимической ячейки operando для одновременного исследования структурного и электрохимического поведения электродных материалов При проектировании ячейки особое внимание уделялось простоте сборки, а также использованию материалов, обеспечивающих высокую химическую и электрохимическую стабильность при циклировании в диапазоне потенциалов от 0 до 5 В vs. Li+/Li.

В работе представлены первые результаты рентгенодифракционных исследований operando материала ванадата(V) кобальта(II)-лития LiCoVO4 со структурой инвертированной шпинели. Новые результаты по структурному поведению LiCoVO4 показали однофазный механизм де/интеркаляции лития с обратимым изменением объёма элементарной ячейки на первом цикле около 3.7%. Обратимость изменения снижается на втором цикле вместе с уменьшением циклируемой ёмкости, что объясняется нами перегруппировкой в катионных подрешётках инвертированной шпинели.

Ключевые слова: 
литий-ионный аккумулятор
катодный материал
ванадат(V) кобальта(II)-лития
LiCoVO₄
дифракция рентгеновских лучей
operando
Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-73-10091). Авторы статьи выражают благодарность генеральному директору ОАО «НИТИ-Тесар» А. Хону и инженеру-конструктору ООО «Тесар-ЭКОГАЛЬ» А. О. Семенову за помощь в изготовлении электрохимической ячейки.
Список источников: 
  1. Daniel C. Materials and processing for lithium-ion batteries // JOM. 2008. Vol. 60, № 9. P. 43–48. https://doi.org/10.1007/s11837-008-0116-x
  2. Liu H., Strobridge F. C., Borkiewicz O. J., Wiaderek K. M., Chapman K. W., Chupas P. J., Grey C. P. Capturing metastable structures during high-rate cycling of LiFePO4 nanoparticle electrodes // Science. 2014. Vol. 344, № 6191. Article number 1252817. https://doi.org/10.1126/science.1252817
  3. Yu X., Lyu Y., Gu L., Wu H., Bak S. M., Zhou Y., Yang X. Q. Understanding the rate capability of high-energy-density Li-rich layered Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2 cathode materials // Adv. Energy Mater. 2014. Vol. 4, № 5. Article number 1300950. https://doi.org/10.1002/aenm.201300950
  4. Whittingham M. S. Lithium batteries and cathode materials // Chem. Rev. 2004. Vol. 104, № 10. P. 4271–4302. https://doi.org/10.1021/cr020731c
  5. Zhu W., Liu D., Paolella A., Gagnon C., Gariépy V., Vijh A., Zaghib K. Application of operando X-ray diffraction and Raman spectroscopies in elucidating the behavior of cathode in lithium-ion batteries // Front. Energy Res. 2018. Vol. 6. P. 66. Article number 66. https://doi.org/10.3389/fenrg.2018.00066
  6. Ren Y., Zuo X. Synchrotron X-ray and neutron diffraction, total scattering, and small-angle scattering techniques for rechargeable battery research // Small Methods. 2018. Vol. 2, № 8. Article number 1800064. https://doi.org/10.1002/smtd.201800064
  7. Liu D., Shadike Z., Lin R., Qian K., Li H., Li K., Wang S., Yu O., Liu M., Ganapathy S., Qin X., Yang Q., Wagemaker M., Kang F., Yang X., Li B. Review of recent development of in situ/operando characterization techniques for lithium battery research // Adv. Mater. 2019. Vol. 31, № 28. Article number 1806620. https://doi.org/10.1002/adma.201806620
  8. Xia M., Liu T., Peng N., Zheng R., Cheng X., Zhu H., Yu H., Shui M., Shu J. Lab-scale in situ x-ray diffraction technique for different battery systems: Designs, applications, and perspectives // Small Methods. 2019. Vol. 3, № 7. Article number 1900119. https://doi.org/10.1002/smtd.201900119
  9. Harks P., Mulder F. M., Notten P. H. L. In situ methods for Li-ion battery research: A review of recent developments // J. Power Sources. 2015. Vol. 288. P. 92–105. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.04.084
  10. Zhu H., Huang Y., Zhu H., Wang L., Lan S., Xia X., Liu Q. In situ probing multiple-scale structures of energy materials for Li-ion batteries // Small Methods. 2020. Vol. 4, № 6. Article number 1900223. https://doi.org/10.1002/smtd.201900223
  11. Cañas N. A., Einsiedel P., Freitag O. T., Heim C., Steinhauer M., Park D. W., Friedrich K. A. Operando X-ray diffraction during battery cycling at elevated temperatures: A quantitative analysis of lithium-graphite intercalation compounds // Carbon. 2017. Vol. 116. P. 255–263. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.02.002
  12. Sasaki T., Villevieille C., Takeuchi Y., Novák P. Understanding Inhomogeneous Reactions in Li-Ion Batteries: Operando Synchrotron X-Ray Diffraction on Two-Layer Electrodes // Adv. Sci. 2015. Vol. 2, № 7. Article number 1500083. https://doi.org/10.1002/advs.201500083
  13. Рыбаков К. С., Ушаков А. В. Высоковольтовый катодный материал литий-ионного аккумулятора на основе LiCoVO4: разработка и исследование // Электрохимическая энергетика. 2019. Т. 19, № 2. С. 90–104. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2019-19-2-90-104
  14. Split Test Cell with Beryllium (Be) Window for In-situ XRD&XAS of Battery Electrode – EQ-STC-BEW. URL: https://www.mtixtl.com/EQ-STC-BEW.aspx (дата обращения: 23.10.2022).
  15. Van der Ven A., Bhattacharya J., Belak A. A. Understanding Li diffusion in Li-intercalation compounds // Acc. Chem. Res. 2013. Vol. 46, № 5. P. 1216–1225. https://doi.org/10.1021/ar200329r
  16. Bayliss R. D., Key B., Gautam G. S., Canepa P., Kwon B. J., Lapidus S. H., Dogan F., Adil A. A., Lipton A. S., Baker P. J., Ceder G., Vaughey J. T., Cabana J. Probing Mg migration in spinel oxides // Chem. Mater. 2019. Vol. 32, № 2. P. 663–670. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b02450
Поступила в редакцию: 
08.11.2022
Принята к публикации: 
12.12.2022
Опубликована: 
23.12.2022