Effect of Current Density on Specific Characteristics of Negative Electrodes for Lithium-Ion Batteries Based on Heat-Treated Petroleum Coke

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of comparative studies of the effect of current density on the average discharge voltage and specific discharge capacity of carbon electrodes based on heat-treated petroleum coke and graphite are presented. The carbon obtained by heat treatment of petroleum coke is shown to have better kinetic characteristics than graphite. The increase in the current density from 0.2 mA/cm2 (36 mA/g) to 2 mA/cm2 (364 mA/g) leads to a decrease in the discharge capacity of heat-treated petroleum coke by 26%; graphite, by 93%. When the current density is restored to 0.2 mA/cm2, the discharge capacity of carbon electrodes is also restored to its initial value. The increase in the current density is also shown to lead to increase in the average discharge voltage of lithium–carbon cells. Thus, with the increase in current density from 0.2 to 2 mA/cm2, the average discharge voltage of the lithium–carbon cells with the electrode active component of the heat-treated petroleum coke increased from 0.39 to 0.62 V; that of graphite, from 0.14 to 0.35 V.

About the authors

E. V. Kuzmina

Ufa Institute of Chemistry, Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: kuzmina@anrb.ru
Ufa, 450054 Russia

N. V. Chudova

Ufa Institute of Chemistry, Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Email: kuzmina@anrb.ru
Ufa, 450054 Russia

V. S. Kolosnitsyn

Ufa Institute of Chemistry, Ufa Federal Research Center, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kuzmina@anrb.ru
Ufa, 450054 Russia

References

  1. Reddy, M.V., Mauger, A., Julien, C.M., Paolella, A., and Zaghib, K., Brief History of Early Lithium-Battery Development, Materials, 2020, vol. 13, p. 1884. https://doi.org/10.3390/ma13081884
  2. Broussely, M., Biensan, P., and Simon, B., Lithium insertion into host materials: the key to success for Li ion batteries, Electrochim. Acta, 1999, vol. 45, p. 3. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(99)00189-9
  3. Liu, Y., Li, W., and Zhou, X., An investigation of Li2TiO3–coke composite anode material for Li-ion batteries, RSC Advances, 2019, vol. 9, p. 11710. https://doi.org/10.1039/C9RA02611H
  4. Maurin, G., Bousquet, C., Henn, F., Bernier, P., Almairac, R., and Simon, B., Electrochemical lithium intercalation into multiwall carbon nanotubes: a micro-Raman study, Solid State Ionics, 2000, vol. 136–137, p. 1295. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00599-3
  5. Химические источники тока: Справочник / Под ред. Коровина, Н.В., Скундина, А.М. М.: Изд. МЭИ, 2003. 739 с. [Chemical power sources: Handbook (in Russian)/ under review N.V. Korovina, and A.M. Skundina. Moscow: MEI, 2003, 739 p.]
  6. Wang, G., Yu, M., and Feng, X., Carbon materials for ion-intercalation involved rechargeable battery technologies, Chem. Soc. Rev., 2021, vol. 50, 2388. https://doi.org/10.1039/d0cs00187b
  7. Zhao, B., Ran, R., Liu, M., and Shao, Z., A comprehensive review of Li4Ti5O12-based electrodes for lithium-ion batteries: The latest advancements and future perspectives, Mater. Sci. and Engineering: R.: Reports, 2015, vol. 98, p. 1. https://doi.org/10.1016/j.mser.2015.10.001
  8. Moshtev, R.V., Zlatilova, P., Puresheva, B., and Manev, V., Material balance of petroleum coke/LiNiO2 lithium-ion cells, J. Power Sources, 1995, vol. 56, p. 137. https://doi.org/10.1016/j.mser.2015.10.001
  9. Чуриков, А.В., Гридина, Н.А., Чурикова, Н.В., Солопова, Т.А., Форостяный, С.А., Левин, Ф.Ю. Разработка углеродного материала для отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора. Электрохим. энергетика. 2001. Т. 1. С. 9. [Churikov, A.V., Gridina, N.A., Churikova, N.V., Solopova, T.A., Forostyanyj, S.A., and Levin, F.Yu., Development of carbon material for negative electrode of lithium-ion battery (in Russian), Elektrohimich. energetika, 2001, vol. 1, p. 9.]
  10. Alca’ntara, R., Lavela, P., Ortiz, G.F., Tirado, J.L., Stoyanova, R., Zhecheva, E., and Jime’nez-Mateos, J.M., Modification of Petroleum Coke for Lithium-Ion Batteries by Heat-Treatment with Iron Oxide, J. Electrochem. Soc., 2004, vol. 151, p. A2113. https://doi.org/10.1149/1.1814031
  11. Concheso, A., Santamaría, R., Menéndez, R., Jiménez-Mateos, J.M., Alca’ntara, R., Ortiz,m G.F., Lavla, P., and Tirado, J.L., Effect of oxidation on the performance of low-temperature petroleum cokes as anodes in lithium ion batteries, J. Appl. Electrochem., 2009, vol. 39, p. 899. https://doi.org/10.1007/s10800-008-9735-8
  12. Чудова, Н.В., Шакирова, Н.В., Кузьмина, Е.В., Колосницын, В.С. Влияние диапазона потенциалов заряда и разряда на электрохимическую емкость нефтяного кокса и графита. Башкир. хим. журн. 2021. Т. 28. С. 85. [Chudova, N.V., Shakirova, N.V., Kuzmina, E.V., and Kolosnitsyn, V.S., Influence of the range of charge and discharge potentials on the electrochemical capacity of petroleum coke and graphite, Bashkirskij himicheskij zhurnal (in Russian), 2021, vol. 28, p. 85.] https://doi.org/10.17122/bcj?2021-4-85-89
  13. Li, W., Li, Z., Zhang, C., Liu, W., Han, C., Yan, B., An, S., and Qiu, X., Hard carbon derived from rice husk as anode material for high performance potassium-ion batteries, Solid State Ionics, 2020, vol. 351, 115319. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2020.115319
  14. Кузьмина, Е.В., Дмитриева, Л.Р., Карасева, Е.В., Колосницын, В.С. О возможности применения метода сорбции красителей для определения удельной поверхности углеродных материалов для литий-серных аккумуляторов. Изв. Уфим. науч. центра РАН. 2020. С. 29. [Kuzmina, E.V., Dmitrieva, L.R., Karaseva, E.V., and Kolosnitsyn, V.S., On the possibility of application of the method of sorption of dyes for determining the specific surface area of carbon materials for lithium-sulfur batteries, Izvestiya Ufimskogo nauchnogo centra RAN (in Russian), 2020, p. 29.] https://doi.org/10.31040/2222-8349-2020-0-2-29-34
  15. Lewandowski, A., Biegun, M., Galinski, M., and Swiderska-Mocek, A., Kinetic analysis of Li|Li+ interphase in an ionic liquid electrolyte, J. Appl. Electrochem., 2012, vol. 43, p. 367. https://doi.org/10.1007/s10800-012-0515-0
  16. Rui, X.H., Ding, N., Liu, J., Li, C., and Chen, C.H., Analysis of the chemical diffusion coefficient of lithium ions in Li3V2(PO4)3 cathode material, Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, p. 2384. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2009.11.096
  17. Kaspar, J., Graczyk-Zajac, M., and Riedel, R., Determination of the chemical diffusion coefficient of Li-ions in carbon-rich silicon oxycarbide anodes by electro-analytical methods, Electrochim. Acta, 2014, vol. 115, p. 665. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.10.184
  18. Vedalakshmi, R., Saraswathy, V., Song, H.-W., and Palaniswamy, N., Determination of diffusion coefficient of chloride in concrete using Warburg diffusion coefficient, Corr. Sci., 2009, vol. 51, p. 1299. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2009.03.017
  19. Иванищев, А.В., Иванищева, И.А. Ионный транспорт в литиевых электрохимических системах: проблемы и решения. Электрохимия. 2020. Т. 56. С. 1002. [Ivanishchev, A.V. and Ivanishcheva, I.A., Ion transport in lithium electrochemical systems: problems and solutions, Russ. J. Electrochem., 2020, vol. 56, p. 907. https://doi.org/10.1134/S1023193520100055]10.1134/S1023193520100055] https://doi.org/10.31857/S0424857020100059
  20. Fong, R., U. von Sacken and Dahn, J.R., Studies of lithium intercalation into carbons using nonaqueous electrochemical cells, J. Electrochem. Soc., 1997, vol. 144, p. 1195. https://doi.org/10.1149/1.2086855
  21. Weibing, X. and Dahn, J.R., Study of Irreversible capacities for Li insertion in hard and graphitic carbons, J. Electrochem. Soc., 1997, vol. 144, p. 1195. https://doi.org/10.1149/1.1837572
  22. Peled, E., Golodnitsky, D., Ulus, A., and Yufit, V., Effect of carbon substrate on SEI composition and morphology, Electrochim. Acta, vol. 50, p. 391. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2004.01.130

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (296KB)
3.

Download (190KB)
4.

Download (237KB)
5.

Download (189KB)
6.

Download (334KB)

Copyright (c) 2023 Е.В. Кузьмина, Н.В. Чудова, В.С. Колосницын

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».