Синтез и исследование катодного материала для натрий-ионного аккумулятора на основе композита фосфата натрия-ванадия(III) и терморасширенного графита

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В настоящей работе апробирован усовершенствованный твердофазный синтез Na3V2(PO4)3 со структурой суперионного проводника NASICON и размерами частиц 0.5–4.5 мкм на основе распылительной сушки водного раствора прекурсоров с последующим отжигом в атмосфере азота. Максимальная удельная емкость для композита из полученого Na3V2(PO4)3 и терморасширеного графита составляет 117.00 мАч/г при скорости заряда и разряда С/20 и уменьшается до 76.73 мАч/г после 200 циклов зарядно-разрядных ресурсных испытаний при скорости заряда и разряда 1С. Величина кажущегося коэффициент а диффузии иона натрия в твердой фазе композита Na3V2(PO4)3/С для процесса де- и интеркаляции составляет 5.87 × 10–11 и 4.60 × 10–11 см2/c соответственно.

Об авторах

И. Сидоров

Белорусский государственный технологический университет; Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению

Email: zhilinski@yandex.ru
Беларусь, 220006, Минск, ул. Свердлова, 13а; Беларусь, 220072, Минск, ул. П. Бровки, 19

В. В. Жилинский

Белорусский государственный технологический университет

Email: zhilinski@yandex.ru
Беларусь, 220006, Минск, ул. Свердлова, 13а

В. П. Новиков

Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению

Автор, ответственный за переписку.
Email: zhilinski@yandex.ru
Беларусь, 220072, Минск, ул. П. Бровки, 19

Список литературы

  1. Goodenough J.B., Park K.S. The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective // J. Am. Chem. Soc. 2013. V. 135. № 4. P. 1167–1176. https://doi.org/10.1021/ja3091438
  2. Fang Y., Xiao L., Qian J., Cao Y., Yang H. 3D Graphene Decorated NaTi2(PO4)3 Microspheres as a Superior High-Rate and Ultracycle-Stable Anode Material for Sodium Ion Batteries // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. P. 1502197. https://doi.org/10.1002/aenm.201502197
  3. Komaba S., Murata W., Ishikawa T., Yabuuchi N., Ozeki T., Nakayama T. Electrochemical Na Insertion and Solid Electrolyte Interphase for Hard-Carbon Electrodes and Application to Na-Ion Batteries // Adv. Funct. Mater. 2011. V. 21. № 20. P. 3859–3867. https://doi.org/10.1002/adfm.201100854
  4. Zeng X., Peng J., Guo Y., Zhu H., Huang X. Research Progress on Na3V2(PO4)3 Cathode Material of Sodium Ion Battery // Front. Chem. 2020. V. 8. P. 635. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00635
  5. Deng J., Luo W.B., Chou S.L., Liu H.K., Dou S.X. Sodium-Ion Batteries: from Academic Research to Practical Commercialization // Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. № 4. P. 1701428. https://doi.org/10.1002/aenm.201701428
  6. Komaba S., Takei C., Nakayama T., Ogata A., Yabuuchi N. Electrochemical Intercalation Activity of Layered NaCrO2 vs. LiCrO2 // Electrochem. Commun. 2010. V. 12. № 3. P. 355–358. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2009.12.033
  7. Klee R., Aragón M.J., Lavela P., Alcántara R., Tirado J.L. Na3V2(PO4)3/C Nanorods with Improved Electrode-Electrolyte Interface as Cathode Material for Sodium-Ion Batteries // ACS Appl. Mater. Interfaces 2016. V. 8. № 35. P. 23151–23159. https://doi.org/10.1021/acsami.6b07950
  8. Tepavcevic S., Xiong H., Stamenkovic V.R., Zuo X., Balasubramanian M., Prakapenka V.B. Nanostructured Bilayered Vanadium Oxide Electrodes for Rechargeable Sodium-Ion Batteries // ACS Nano. 2012. V. 6. № 1. P. 530–538. https://doi.org/10.1021/nn203869a
  9. Qi Y., Mu L., Zhao J., Hu Y. S., Liu H., Dai S. Superior Na-Storage Performance of Low-Temperature-Synthesized Na3(VO1−xPO4)2F1+2x(0 ≤ x ≤ 1) NaNoparticles for Na-Ion Batteries // Angew. Chem. Int. Ed. 2015. V. 54. № 34. P. 9911–9916. https://doi.org/10.1002/anie.201503188
  10. Li H., Zhu Z.Q., Duan W. Na3V2(PO4)3@C Core-Shell Nanocomposites for Rechargeable Sodium-Ion Batteries // J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. № 23. P. 8668–8675. https://doi.org/10.1039/C4TA00106K
  11. Kabbour H., Coillot D., Colmont M., Masquelier C., Mentré O. α-Na3M2(PO4)3 (M = Ti, Fe): Absolute Cationic Ordering in NASICON-Type Phases // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. № 31. P. 11900–11903. https://doi.org/10.1021/ja204321y
  12. Kang J.W., Baek S., Mathew V., Gim J., Song J.J., Park H. High Rate Performance of a Na3V2(PO4)3/C Cathode Prepared by Pyro-Synthesis for Sodium-Ion Batteries // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. № 39. P. 20857–20860. https://doi.org/10.1039/c2jm34451c
  13. Zheng Q., Yi H.M., Li X.F., Zhang H.M. Progress and Prospect for NASICON-Type Na3V2(PO4)3 for Electrochemical Energy Storage // J. Energy Chem. 2018. V. 27. № 6. P. 1597–1617. https://doi.org/10.1016/J.JECHEM.2018.05.001
  14. Lim S.J., Han D.W., Nam D.H., Hong K.S., Eom J.Y., Ryu W.H. Structural Enhancement of Na3V2(PO4)3/C Composite Cathode Materials by Pillar Ion Doping for High Power and Long Cycle Life Sodium-Ion Batteries // J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. № 46. P. 19623–19632. https://doi.org/10.1039/C4TA03948C
  15. Ren W.H., Zheng Z.P., Xu C., Niu C.J., Wei Q.L., An Q.Y. Self-Sacrificed Synthesis of Three-Dimensional Na3V2(PO4)3 Nanofiber Network for High-Rate Sodium-Ion Full Batteries // Nano Energy. 2016. V. 25. P. 145–153. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.03.018
  16. Zatovsk I.V. NASICON-type Na3V2(PO4)3 // Acta Crystallogr., Sect. E. 2010. V. 66. № 2. P. i12. https://doi.org/10.1107/S1600536810002801
  17. Lim S.Y., Kim H., Shakoor R.A., Jung Y., Choi J.W. Electrochemical and Thermal Properties of NASICON Structured Na3V2(PO4)3 as a Sodium Rechargeable Battery Cathode: A Combined Experimental and Theoretical Study // J. Electrochem. Soc. 2012. V. 159. № 9. P. A1393–A1397. https://doi.org/10.1149/2.015209jes
  18. Wang M., Huang X., Wang H., Zhou T., Xie H., Ren Y. Synthesis and Electrochemical Performances of Na3V2(PO4)2F3/C Composites as Cathode Materials for Sodium Ion Batteries // RSC Adv. 2019. V. 9. P. 30628–30636. https://doi.org/10.1039/c9ra05089b
  19. Böckenfeld N., Balducci A. Determination of Sodium Ion Diffusion Coefficients in Sodium Vanadium Phosphate // J. Solid State Electrochem. 2014. V. 18. № 4. P. 959–964. https://doi.org/10.1007/s10008-013-2342-6
  20. Zhou X.C., Liu Y.M., Guo Y.L. Effect of Reduction Agent on the Performance of Li3V2(PO4)3/C Positive Material by One-Step Solid-State Reaction // Electrochim. Acta. 2009. V. 54. № 14. P. 2253–2258. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.10.062
  21. Rui X.H., Yan Q.Y., Skyllas-Kazacos M., Lim T.M. Li3V2(PO4)3 Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries: A Review // J. Power Sources. 2014. V. 258. P. 19–38. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.01.126
  22. Wang D., Chen N., Li M., Wang C., Ehrenberg H., Bie X., Wei Y., Chen G., Du F. Na3V2(PO4)3/C Composite as the Intercalation-Type Anode Material for Sodium-Ion Batteries with Superior Rate Capability and Long-Cycle Life // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. № 16. P. 8636–8642. https://doi.org/10.1039/C5TA00528K
  23. Wang Q., Cheng B.M., Zhong H.Y., Wang Q.H., Zhong S.W. Effect of Sol–Gel-Method on Crystal Growth and Electrochemical Properties of Na3V2(PO4)3 // Chin. J. Power Sources. 2019. V. 43. № 21. P. 559–561. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2019.04.005
  24. Ruan Y.L., Liu J.J., Song S.D., Jiang N.Y., Battaglia V. Multi-Hierarchical Nanosheet-Assembled Chrysanthemum-Structured Na3V2(PO4)3/C as Electrode Materials for High-Performance Sodium-Ion Batteries // Ionics. 2017. V. 24. P. 1663–1673. https://doi.org/10.1007/s11581-017-2342-0
  25. Liu H., Rahm E., Holze R., Wu H.Q. Cathode Materials for Lithium Ion Batteries Prepared by Sol-Gel Methods // J. Solid State Electrochem. 2004. V. 8. № 7. P. 450–466. https://doi.org/10.1007/s10008-004-0521-1
  26. Gao M.R., Xu Y.F., Jiang J., Yu S.H. Nanostructured Metal Chalcogenides: Synthesis, Modification, and Applications in Energy Conversion and Storage Devices // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. № 7. P. 2986–3017. https://doi.org/10.1039/c2cs35310e
  27. Zhu Q., Cheng H., Zhang X.M., He L.Q., Hu L.Z., Yang J.W., Chen Q.Q., Lu Z.G. Improvement in Electrochemical Performance of Na3V2(PO4)3/C Cathode Material for Sodium-Ion Batteries by K-Ca Co-Doping // Electrochim. Acta. 2018. V. 281. P. 208–217. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.05.174
  28. Новиков В.П., Кирик С.А. Способ получения расширенного графита: Пат. № 17336 РБ: МПК C01В 31/04: 30.08.2013.
  29. Озерова В.В., Новикова С.А., Чеканников А.А., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Ярославцев А.Б. Электрохимическая интеркаляция натрия в композиты на основе фосфата железа (III) и углерода // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 5. С. 501–508. https://doi.org/10.1134/S0002337X19050166
  30. Kapaev R., Chekannikov A., Novikova S., Yaroslavtsev S., Kulova T., Rusakov V., Skundin A., Yaroslavtsev A. Mechanochemical Treatment of Maricite-Type NaFePO4 for Achieving High Electrochemical Performance // J. Solid State Electrochem. 2017. V. 21. P. 2373–2380. https://doi.org/10.1007/s10008-017-3592-5
  31. Vasil’eva V.I., Goleva E.A., Selemenev V.F., Karpov S.I., Smagin M.A. IR Spectroscopic Study of the Mechanism of Phenylalanine Sorption from Aqueous Solutions by a Shaped Sulfonic Acid Cation-Exchange Membrane with a Styrene–Divinylbenzene Matrix // Russ. J. Phys. Chem. A. 2019. V. 93. № 3. P. 542–550.
  32. Саримсакова Н.С., Файзуллаев Н.И., Бакиева Х.А. Механизм и кинетика реакции получения этилового эфира из уксусной кислоты // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2021. Т. 5. № 86. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11751
  33. Kosova N.V., Rezepova D.O. Na1+yVPO4F1+y (0 ≤ y ≤ 0.5) as Cathode Materials for Hybrid Na/Li Batteries // Inorganics. 2017. V. 5. P. 19–21.

Дополнительные файлы


© И. Сидоров, В.В. Жилинский, В.П. Новиков, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».