Оптимізація продуктивності літій-іонного акумулятора добавкою нанокремнію,змішаного в аноді Li4Ti5O12, отриманої механохімічно-гідротермічним методом

Автор(и)

  • Bambang Priyono Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424, Індонезія
  • Anne Zulfia Syahrial Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424, Індонезія
  • Achmad Subhan Research Center for Physics-LIPI PUSPIPTEK Tengerang, Banten, Indonesia, 15310, Індонезія
  • Faizah Faizah Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424, Індонезія
  • Agnes Gusvianty Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424, Індонезія

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.151937

Ключові слова:

анод Li4Ti5O12/LTO, кремній, напiвелементний акумулятор, ємність акумулятора, золь-гель, наночастинка, TiO2

Анотація

Титанат літію (Li4Ti5O12 або LTO) є одним з кращих варіантів заміни графіту як анодного матеріалу в літій-іонномуакумуляторі (ЛІА) внаслідок утворення небажаного шару проміжної фази твердого електроліту (ПФТЕ), який споживає іонLi+, знижує продуктивність ЛІА і може викликати некерований нагрів. Здатність LTO запобігати утворенню ПФТЕ іпіддаватися нульовий деформації під час інтеркаляції робить LTO вкрай безпечним в застосуванні. Однак титанат літію зіструктурою шпінелі має низьку теоретичну ємність і погану електронну провідність. Низька провідність накладаєобмеження на його застосування. Золь-гель метод і об’єднання LTO з Si, що володіє високою теоретичною ємністю, єключовим фактором в усуненні недоліків LTO. Для досягнення високої потужності, запасу міцності і маловитратнихвиробничих властивостей в золь-гель синтезі застосовували гiдротермально-механохiмічну обробку для отриманнянаноструктури (Li4Ti5O12). Потім наночастинки кремнію з масовим відсотком 5 %, 10 % і 15 % додали до електродного композиту для збільшення ємності анода титаната літію. Всі зразки були охарактеризовані з використанням рентгеноструктурного аналізу, растрової електронної мікроскопії та просвічуючої електронної мікроскопії. Активний анодний матеріал нано-LTO/Si був покритий і використаний в плоскій круглій батареї. В якості протиелектроду в зібраному плоскому круглому напівелементі використовувалася металева літієва фольга. Продуктивність батареї перевірялася за допомогою електрохімічної імпедансної спектроскопії (ЕІС), циклічної вольтамперометрії (ЦВ) і заряду-розряду (ЗР).

Результати рентгеноструктурного аналізу показали, що були отримані сполуки титаната літію з кристалічною структурою шпінелі (Li4Ti5O12) і домішками рутилу TiO2. Результати РЕМ-мікрофотографії показали майже однорідні морфологічні структури у вигляді агломератів в більшості зразків. У той час як ПЕМ-зображення нанокремнія мало кристалічну фазу з розміром частинок менше 100 мм. Однак наявність небажаного шару SiOx не спостерігалося чітко. Додавання наночасток Si може збільшити питому ємність вище теоретичної ємності LTO, однак, за прогнозами, утворення ізоляційного шару SiOx є основною перешкодою, що знижує ефективність додавання наночастинок Si до з’єднання LTO. Гідротермічна обробка зразка може поліпшити характеристики нанокомпозитного анода LTO/Si. За результатами ЗР отримане з'єднання LTO/Si має розрядну здатністю до 12 С.

Результати циклічної вольтамперометрії та заряду-розряду показали оптимальний масовий відсоток Si 10 %, а найкраща ємність зразка була отримана при 229,72 мАг/г.

Спонсор дослідження

  • The authors would like to thank “The Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat Universitas Indonesia (DRPM-UI)” for the financial support to do this research under the grant of Riset PITTA/1062/FT/2018

Біографії авторів

Bambang Priyono, Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424

Doctor of Engineering in Metallurgy and Materials

Department of Metallurgy and Materials Engineering

Anne Zulfia Syahrial, Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424

Professor of Engineering in Metallurgy and Materials

Department of Metallurgy and Materials Engineering

Faizah Faizah, Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424

Department of Metallurgy and Materials Engineering

Agnes Gusvianty, Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia, 16424

Department of Metallurgy and Materials Engineering

Посилання

  1. Goriparti, S., Miele, E., De Angelis, F., Di Fabrizio, E., Proietti Zaccaria, R., Capiglia, C. (2014). Review on recent progress of nanostructured anode materials for Li-ion batteries. Journal of Power Sources, 257, 421–443. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.11.103
  2. Wang, D., Wu, X., Zhang, Y., Wang, J., Yan, P., Zhang, C., He, D. (2014). The influence of the TiO2 particle size on the properties of Li4Ti5O12 anode material for lithium-ion battery. Ceramics International, 40 (2), 3799–3804. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.09.038
  3. Li, H., Shen, L., Zhang, X., Wang, J., Nie, P., Che, Q., Ding, B. (2013). Nitrogen-doped carbon coated Li4Ti5O12 nanocomposite: Superior anode materials for rechargeable lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 221, 122–127. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.08.032
  4. Chen, C., Agrawal, R., Wang, C. (2015). High Performance Li4Ti5O12/Si Composite Anodes for Li-Ion Batteries. Nanomaterials, 5 (3), 1469–1480. doi: https://doi.org/10.3390/nano5031469
  5. Usui, H., Wasada, K., Shimizu, M., Sakaguchi, H. (2013). TiO2/Si composites synthesized by sol–gel method and their improved electrode performance as Li-ion battery anodes. Electrochimica Acta, 111, 575–580. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.08.015
  6. Zhang, Y., Zhang, C., Lin, Y., Xiong, D.-B., Wang, D., Wu, X., He, D. (2014). Influence of Sc3+ doping in B-site on electrochemical performance of Li4Ti5O12 anode materials for lithium-ion battery. Journal of Power Sources, 250, 50–57. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.10.137
  7. Wang, J., Zhao, H., Wen, Y., Xie, J., Xia, Q., Zhang, T. et. al. (2013). High performance Li4Ti5O12 material as anode for lithium-ion batteries. Electrochimica Acta, 113, 679–685. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.086
  8. Mosa, J., Vélez, J. F., Lorite, I., Arconada, N., Aparicio, M. (2012). Film-shaped sol–gel Li4Ti5O12 electrode for lithium-ion microbatteries. Journal of Power Sources, 205, 491–494. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.01.090
  9. Ozanam, F., Rosso, M. (2016). Silicon as anode material for Li-ion batteries. Materials Science and Engineering: B, 213, 2–11. doi: https://doi.org/10.1016/j.mseb.2016.04.016
  10. Zhou, Y., Jiang, X., Chen, L., Yue, J., Xu, H., Yang, J., Qian, Y. (2014). Novel mesoporous silicon nanorod as an anode material for lithium ion batteries. Electrochimica Acta, 127, 252–258. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.01.158
  11. Liang, B., Liu, Y., Xu, Y. (2014). Silicon-based materials as high capacity anodes for next generation lithium ion batteries. Journal of Power Sources, 267, 469–490. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.05.096
  12. Sun, X., Hegde, M., Zhang, Y., He, M., Gu, L., Wang, Y., Shu, J. (2014). Structure and Electrochemical Properties of Spinel Li 4 Ti 5 O 12 Nanocomposites as Anode for Lithium-Ion Battery. International Journal of Electrochemical Science, 9, 1583–1596.
  13. Priyono, B., Murti, P. B., Syahrial, A. Z., Subhan, A. (2017). Optimizing the performance of Li4Ti5O12 anode synthesized from TiO2 xerogel and LiOH with hydrothermal-ball mill method by using acetylene black. AIP Conference Proceedings. doi: https://doi.org/10.1063/1.4979221
  14. Li, B., Ning, F., He, Y., Du, H., Yang, Q. H., Ma, J. et. al. (2011). Synthesis and Characterization of Long Life Li4Ti5O12/C Composite Using Amorphous TiO2 Nanoparticles. International Journal of Electrochemical Science, 6, 3210–3223.
  15. Syahrial, A. Z., Sari, N. T. A., Priyono, B., Subhan, A. (2017). Effect of nano silicon content in half-cell Li-ion batteries performance with Li4Ti5O12 xerogel TiO2 solid-state anode materials. AIP Conference Proceedings. doi: https://doi.org/10.1063/1.4979220
  16. Nitta, N., Wu, F., Lee, J. T., Yushin, G. (2015). Li-ion battery materials: present and future. Materials Today, 18 (5), 252–264. doi: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040
  17. Wang, J. (2006). Analytical Electrochemistry. John Wiley & Sons, Inc. doi: https://doi.org/10.1002/0471790303

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-12-20

Як цитувати

Priyono, B., Syahrial, A. Z., Subhan, A., Faizah, F., & Gusvianty, A. (2018). Оптимізація продуктивності літій-іонного акумулятора добавкою нанокремнію,змішаного в аноді Li4Ti5O12, отриманої механохімічно-гідротермічним методом. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(12 (96), 6–12. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.151937

Номер

Том 6 № 12 (96) (2018): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Bambang Priyono, Anne Zulfia Syahrial, Achmad Subhan, Faizah Faizah, Agnes Gusvianty

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.