Композити LiMn2O4/графен для літій-іонних акумуляторів з високими електрохімічними властивостями
Анотація
Покращення електрохімічних характеристик літій-манганової шпінелі LiMn2O4 є одним із найважливіших завдань для дослідників у галузі літій-іонних акумуляторів. Графенові матеріали можуть позитивно впливати на функціональні характеристики композитних електродів на основі LiMn2O4 завдяки своїм унікальним властивостям. Тому нами були досліджені композитні електроди на основі шпінелі LiMn2O4 з комерційними зразками графенів. Методами рентгенофазового аналізу, скануючої електронної мікроскопії та адсорбції–десорбції азоту досліджено структурні, морфологічні та поверхневі характеристики зразків LiMn2O4 та графену. Електрохімічні випробування композитних електродів проводили в дискових елементах CR2016 з металевим літієвим анодом. Показано, що природа LiMn2O4 є основним фактором, який визначає електрохімічну поведінку композитних електродів з точки зору їх стабільності при циклуванні та швидкісних характеристик. При цьому вплив типу графену в межах однієї шпінелі відносно невеликий, але його наявність важлива для забезпечення необхідного рівня провідності електродної структури. Незважаючи на нижчу початкову питому ємність, композити зі шпінеллю LiMn2O4, синтезованою за допомогою цитратного методу синтезу, демонструють кращу циклічну стабільність і більш високі струми розряду до 40 С порівняно з композитами на основі LiMn2O4, синтезованої твердофазним методом. Отримані електрохімічні характеристики добре узгоджуються з результатами електрохімічної імпедансної спектроскопії.
Посилання
1. Ramos Ferrer P., Mace A., Thomas S.N., Jeon J.W. Nanostructured porous graphene and its composites for energy storage applications. Nano Converg. 2017. 4: 1. https://doi.org/10.1186/s40580-017-0123-0
2. Zhu S., Sheng J., Chen Y., Ni J., Li Y. Carbon nanotubes for flexible batteries: recent progress and future perspective. Natl. Sci. Rev. 2021. 8(5): 1. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa261
3. Ahmad Y., Colin M., Gervillie-Mouravieff C., Dubois M., Guérin K. Carbon in lithium-ion and post-lithium-ion batteries: recent features. Synth. Met. 2021. 280: 116864. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2021.116864
4. Cai X., Lai L., Shen Z., Lin J. Graphene and graphene-based composites as Li-ion battery electrode materials and their application in full cells. Journal of Materials Chemistry A. 2017. 5: 15423. https://doi.org/10.1039/C7TA04354F
5. Yang S., Sun Y., Chen L., Hernandez Y., Feng X., Müllen K. Porous iron oxide ribbons grown on graphene for high-performance lithium storage. Sci. Rep. 2012. 2(1): 1. https://doi.org/10.1038/srep00427
6. Lin J., Raji A.R.O., Nan K., Peng Z., Yan Z., Samuel E.L., Natelson D., Tour J.M. Iron oxide nanoparticle and graphene nanoribbon composite as an anode material for high-performance Li-ion batteries. Adv. Funct. Mater. 2014. 24(14): 2044. https://doi.org/10.1002/adfm.201303023
7. Prabakar S.R., Hwang Y.H., Lee B., Sohn K.S., Pyo M. Graphene-sandwiched LiNi0.5Mn1.5O4 cathode composites for enhanced high voltage performance in Li ion batteries. J. Electrochem. Soc. 2013. 160(6): A832. https://doi.org/10.1149/2.085306jes
8. Aziz S., Zhao J., Cain C., Wang Y. Nanoarchitectured LiMn2O4/graphene/ZnO composites as electrodes for lithium ion batteries. J. Mater. Sci. Technol. 2014. 30(5): 427. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2014.03.007
9. Lin B., Yin Q., Hu H., Lu F., Xia H. LiMn2O4 nanoparticles anchored on graphene nanosheets as high-performance cathode material for lithium-ion batteries. J. Solid State Chem. 2014. 209: 23. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2013.10.016
10. Pyun M.H., Park Y.J. Graphene/LiMn2O4 nanocomposites for enhanced lithium ion batteries with high rate capability. J. Alloys Compd. 2015. 643: S90. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.11.237
11. Guler A., Duman S.O., Nalci D., Guzeler M., Bulut E., Guler M.O., Akbulut H. Graphene assisted template based LiMn2O4 flexible cathode electrodes. Int. J. Energy Res. 2018. 42(9): 2971. https://doi.org/10.1002/er.4043
12. Luo X.D., Yin Y.Z., Yuan M., Zeng W., Lin G., Huang B., Li Y.W., Xiao S.H. High performance composites of spinel LiMn2O4/3DG for lithium ion batteries. RSC Adv. 2018. 8(2): 877. https://doi.org/10.1039/C7RA12613A
13. Jaber‐Ansari L., Puntambekar K.P., Kim S., Aykol M., Luo L., Wu J., Myers B.D., Iddir H., Russel J.T., Saldaña S.J., Kumar R., Thackeray M.M., Curtiss L.A., Dravid V.P., Wolverton C., Hersam M.C. Suppressing manganese dissolution from lithium manganese oxide spinel cathodes with single‐layer graphene. Adv. Energy Mater. 2015. 5(17): 1500646. https://doi.org/10.1002/aenm.201500646
14. Ilango P.R., Prasanna K., Subburaj T., Jo Y.N., Lee C.W. Facile longitudinal unzipping of carbon nanotubes to graphene nanoribbons and their effects on LiMn2O4 cathodes in rechargeable lithium-ion batteries. Acta Mater. 2015. 100: 11. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.08.021
15. Ju B., Wang X., Wu C., Yang X., Shu H., Bai Y., Wen W., Yi X. Electrochemical performance of the graphene/Y2O3/LiMn2O4 hybrid as cathode for lithium-ion battery. J. Alloys Compd. 2014. 584: 454. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.09.098
16. Ha J., Park S.K., Yu S.H., Jin A., Jang B., Bong S., Kim I., Sung Y.E., Piao Y. A chemically activated graphene-encapsulated LiFePO4 composite for high-performance lithium ion batteries. Nanoscale. 2013. 5(18): 8647. https://doi.org/10.1039/c3nr02738d
17. Dutta D., Santhosha A.L., Sood A.K., Bhattacharyya A.J. Reducing Li-diffusion pathways via "adherence" of ultra-small nanocrystals of LiFePO4 on few-layer nanoporous holey-graphene sheets for achieving high rate capability. RSC Adv. 2016. 6(92): 89328. https://doi.org/10.1039/C6RA20778B
18. Guler A., Gungor H., Ozcan S., Coban A., Guler M.O., Akbulut H. A high‐performance composite positive electrode based on graphene and Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2. Int. J. Energy Res. 2018. 42(14): 4499. https://doi.org/10.1002/er.4198
19. Alqahtani Y.M., Williams Q.L. Reduction of capacity fading in high-voltage NMC batteries with the addition of reduced graphene oxide. Materials. 2022. 15(6): 2146. https://doi.org/10.3390/ma15062146
20. Wu F., Yan Y., Wang R., Cai H., Tong W., Tang H. Synthesis of LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2@graphene for lithium-ion batteries via self-assembled polyelectrolyte layers. Ceram. Int. 2017. 43(10): 7668. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.03.066
21. Zhuang Z., Yang L., Ju B., Yin A., Lei G., Zhou Q., Tang Y., Deng Z., Tu F., Qin S. Engineering LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/poly(propylene carbonate) interface by graphene oxide modification for all‐solid‐state lithium batteries. Energy Storage. 2020. 2(2): e109. https://doi.org/10.1002/est2.109
22. Du T., Zhang W., Peng H., Jain G. Mesoporous TiO2 spheres/graphene composite as a high-performance anode material for lithium-ion batteries. Int. J. Electrochem. Sci. 2018. 13: 6229. https://doi.org/10.20964/2018.07.31
23. Farooq U., Ahmed F., Pervez S.A., Rehman S., Pope M.A., Fichtner M., Roberts E.P. A stable TiO2-graphene nanocomposite anode with high rate capability for lithium-ion batteries. RSC Adv. 2020. 10(50): 29975. https://doi.org/10.1039/D0RA05300G
24. Jamal H., Kang B.S., Lee H., Yu J.S., Lee C.S. Comparative studies of electrochemical performance and characterization of TiO2/graphene nanocomposites as anode materials for Li-secondary batteries. J. Ind. Eng. Chem. 2018. 64: 151. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.03.012
25. Zhang X., Suresh Kumar P., Aravindan V., Liu H.H., Sundaramurthy J., Mhaisalkar S.G., Duong H.M., Ramakrishna S., Madhavi S. Electrospun TiO2-graphene composite nanofibers as a highly durable insertion anode for lithium ion batteries. J. Phys. Chem. C. 2012. 116(28): 14780. https://doi.org/10.1021/jp302574g
26. XG Sciences - Products. https://xgsciences.us/aboutxgnp.html.
>27. Farbun I.A., Romanova I.V., Kirillov S.A. Optimal design of powdered nanosized oxides of high surface area and porosity using a citric acid aided route, with special reference to ZnO. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2013. 68(3): 411. https://doi.org/10.1007/s10971-013-3024-7
28. Potapenko A.V., Chernukhin S.I., Romanova I.V., Rabadanov K.S., Gafurov M.M., Kirillov S.A. Citric acid aided synthesis, characterization, and high-rate electrochemical performance of LiNi0.5Mn1.5O4. Electrochim. Acta. 2014. 134: 442. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.04.083
29. Park M., Zhang X., Chung M., Less G.B., Sastry A.M. A review of conduction phenomena in Li-ion batteries. J. Power Sources. 2010. 195(24): 7904. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.06.060
30. Marzec J., Świerczek K., Przewoźnik J., Molenda J., Simon D.R., Kelder E.M., Schoonman J. Conduction mechanism in operating a LiMn2O4 cathode. Solid State Ion. 2002. 146(3-4): 225. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(01)01022-0
31. Bard A.J., Faulkner L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. (NY: John Wiley & Sons, 2001).
32. Sun D., Tan Z., Tian X., Ke F., Wu Y., Zhang J. Graphene: A promising candidate for charge regulation in high-performance lithium-ion batteries. Nano Res. 2021. 14(12): 4370. https://doi.org/10.1007/s12274-021-3405-0
33. Thackeray M.M., De Kock A., Rossouw M.H., Liles D., Bittihn R., Hoge D. Spinel electrodes from the Li‐Mn‐O system for rechargeable lithium battery applications. J. Electrochem. Soc. 1992. 139: 363. https://doi.org/10.1149/1.2069222
34. Potapenko A.V., Kirillov S.A. Enhancing high-rate electrochemical properties of LiMn2O4 in a LiMn2O4/LiNi0.5Mn1.5O4 core/shell composite. Electrochim. Acta. 2017. 258: 9. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.10.108
35. Yang S., Song H., Chen X. Electrochemical performance of expanded mesocarbon microbeads as anode material for lithium-ion batteries. Electrochem. Commun. 2006. 8(1): 137. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2005.10.035
36. Chen Y., Tian Y., Qiu Y., Liu Z., He H., Li B., Cao H. Synthesis and superior cathode performance of sandwiched LiMn2O4@rGO nanocomposites for lithium-ion batteries. Mater. Today Adv. 2019. 1: 100001. https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2018.12.001
37. Li A., Shao Z., Yang S., Li X., Zhang A. Precipitation synthesis and enhanced electrochemical performance of graphene-modified LiMn2O4 for lithium-ion batteries. Ionics. 2020. 26: 3231. https://doi.org/10.1007/s11581-019-03432-4
