NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP GRAPHITE/NANO SILIC/NANO CÁCBON CHO ĐIỆN CỰC ANỐT TRONG PIN LITHIUM ION

Nguyễn Thị Ngọc; Bùi Xuân Thành; Ngô Việt Hoàng; Nguyễn Thị Lan; Dương Thanh Tùng

doi:10.34238/tnu-jst.5428

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP GRAPHITE/NANO SILIC/NANO CÁCBON CHO ĐIỆN CỰC ANỐT TRONG PIN LITHIUM ION

Thông tin bài báo

Ngày nhận bài: 05/01/22 Ngày hoàn thiện: 19/04/22 Ngày đăng: 21/04/22

Các tác giả

1. Nguyễn Thị Ngọc, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Bùi Xuân Thành, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
3. Ngô Việt Hoàng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
4. Nguyễn Thị Lan, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
5. Dương Thanh Tùng , Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tóm tắt

Silic (Si) là vật liệu anốt thế hệ tiếp theo tiềm năng cho pin lithium-ion vì dung lượng lý thuyết cao và phong phú trong tự nhiên. Tuy nhiên, ứng dụng thương mại của nó đã bị cản trở bởi độ dẫn kém và giãn nở thể tích lớn trong quá trình phản ứng điện hóa. Trong nghiên cứu này, tổ hợp vật liệu graphite/nano Si/nano cácbon chế tạo bằng phương pháp nghiền và trộn trong dung dịch đơn giản, giá thành thấp ứng dụng cho điện cực anốt trong pin lithium sắt phốt phát (LFP). Viên pin LFP sử dụng điện cực anốt với các tỷ lệ Si/Graphite khác nhau được kiểm tra hiệu năng hoạt động bằng các phép đo chu kỳ sạc xả, dung lượng vi sai và phổ tổng trở. Kết quả cho thấy, sự bổ sung nano silic với tỷ lệ khối lượng Si: Graphite = 5:95 và 15:85 trong ma trận graphite/nano cácbon giúp nâng cao dung lượng sạc - xả của viên pin LFP lên lần lượt ~ 100% và ~ 200% so với viên pin sử dụng anốt chỉ có graphite/nano cácbon. Mặc dù biểu đồ dung lượng vi sai thể hiện sự thay đổi nhỏ đối với các mẫu điện cực có nano Si nhưng hiệu suất coulombic vẫn duy trì trên 92% sau 20 chu kỳ. Điều trên cho thấy, nano silic có tiềm năng lớn ứng dụng trong pin Li-ion dung lượng cao.

Từ khóa

Pin lithium sắt phốt phát; Nano silic; Vật liệu tổ hợp; Điện cực anốt cácbon; Dung lượng sạc xả

Toàn văn:

PDF

Tài liệu tham khảo

[1] U. Kasavajjula, C. Wang, and A. J. Appleby, “Nano- and bulk-silicon- based insertion anodes for lithium-ion secondary cells,” J. Powder Sources, vol. 163, pp. 1003-1039, 2007, doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.09.084

[2] P. Li, G. Zhao, X. Zheng, X. Xu, C. Yao, W. Sun, and S. Dou, “Recent progress on silicon-based anode materials for practical lithium-ion battery applications,” Energy Storage Materials, vol. 15, pp. 422-446, November 2018, doi: 10.1016/j.ensm.2018.07.014

[3] S. Chae, S. Choi, N. Kim, J. Sung, and J. Cho, “Integration of Graphite and Silicon Anodes for the Commercialization of High-Energy Lithium-Ion Batteries,” Angewandte Chemie International Edition, vol. 59, no. 1, pp. 110-135, 2019, doi: 10.1002/anie.201902085.

[4] J. Wu, Y. Cao, H. Zhao, J. Mao, and Z. Guo, “The critical role of carbon in marrying silicon and graphite anodes for high-energy lithium-ion batteries,” Carbon Energy, vol. 1, no. 1, pp. 57-76, 2019, doi: 10.1002/cey2.2.

[5] M. Li, J. Lu, Z. Chen, and K. Amine, “30 years of lithium‐ion batteries,” Advanced Materials, vol. 30, no. 33, 2018, Art. no. 1800561, doi: 10.1002/adma.201800561.

[6] M. Lowe, S. Tokuoka, T. Trigg, and G. Gereffi, Lithium-ion batteries for electric vehicles. The US Value Chain, Technical report, 2010, doi: 10.13140/RG.2.1.1421.0324.

[7] B. Diouf and R. Pode, “Potential of lithium-ion batteries in renewable energy,” Renewable Energy, vol. 76, pp. 375-380, 2015, doi: 10.1016/j.renene.2014.11.058.

[8] M. Yu et al., “Current Li-ion battery technologies in electric vehicles and opportunities for advancements,” Energies, vol. 12.6, 2019, Art. no. 1074, doi: 10.3390/en12061074.

[9] C. Mao, M. Wood, L. David, S. J. An, Y. Sheng, Z. Du, H. M. Meyer, R. E. Ruther, and D. L. Wood, “Selecting the Best Graphite for Long-Life, High-Energy Li-Ion Batteries,” J. Electrochem. Soc., vol. 165, pp. A1837-A1845, 2018.

[10] Y. P. Wu, C. Jiang, C. Wan, and R. Holze, “Modified natural graphite as anode material for lithium ion batteries,” Journal of power sources, vol. 111, no. 2, pp. 329-334, September 2002, doi: 10.1016/S0378-7753(02)00349-X.

[11] J. Lai, H. Guo, X. Li, Z. Wang, X. Li, X. Zhang, S. Huang, and L. Gan, “Silicon/flake graphite/carbon anode materials prepared with different dispersants by spray-drying method for lithium ion batteries,” Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 23, no. 5, pp. 1413-1420, May 2013, doi: 10.1016/S1003-6326(13)62611-4.

[12] L. Zhang, M. Zhang, Y. Wang, Z. Zhang, G. Kan, C. Wang, Z. Zhong, and F. Su, “Graphitized porous carbon microspheres assembled with carbon black nanoparticles as improved anode materials in Li-ion batteries,” J. Mater. Chem. A, vol. 2, 2014, Art. no. 10161, doi: 10.1039/c4ta00356j.

[13] H. Cheng, J. G. Shapter, Y. Li, and G. Gao, “Recent progress of advanced anode materials of lithium-ion batteries,” Journal of Energy Chemistry, vol. 57, pp. 451-468, June 2021, doi: 10.1016/j.jechem.2020.08.056.

[14] S. Yoon, H. Kim, and S. M. Oh, “Surface modification of graphite by coke coating for reduction of initial irreversible capacity in lithium secondary batteries,” Journal of power sources, vol. 94.1, pp. 68-73, 2001, doi: 10.1016/S0378-7753(00)00601-7.

[15] W. Alkarmo, A. Aqil, F. Ouhib, J. Thomassin, D. Mazouzi, D. Guyomard, C. Detrembleur, and C. Jérôme, “Nanostructured 3D porous hybrid network of N-doped carbon, graphene and Si nanoparticles as an anode material for Li-ion batteries,” New J. Chem., vol. 41, 2017, Art. no. 10555, doi: 10.1039/C7NJ02154B.

[16] J. Lu, D. Wang, J. Liu, G. Qian, Y. Chen, and Z. Wang, “Hollow double-layer carbon nanocage confined Si nanoparticles for high performance lithium-ion batteries,” Nanoscale Adv., vol. 2, 2020, Art. no. 3222, doi: 10.1039/D0NA00297F.

[17] P. Wu, C. Guo, J. Han, K. Yu, X. Dong, G. Yue, H. Yue, Y. Guan, and A. Liu, “Fabrication of double core–shell Si-based anode materials with nanostructure for lithium-ion battery,” RSC Adv., vol. 8, 2018, Art. no. 9094, doi: 10.1039/C7RA13606D.

[18] Q. Chen, Y. Nie, Y. Liu, J. Du, and B. Ren, “Synthesize of silicon/carbon nanosheets with NaCl template and its application as anode material of lithium-ion batteries,” J Mater Sci: Mater Electron, vol. 30, 2019, Art. no. 2442, doi: 10.1007/s10854-018-0517-8.

[19] N. Liu, J. Liu, D. Jia, Y. Huang, J. Luo, X. Mamat, Y. Yu, Y. Dong, and G. Hu, “Multi-core yolk-shell like mesoporous double carbon-coated silicon nanoparticles as anode materials for lithium-ion batteries,” Energy Storage Materials, vol. 18, p. 165, 2019, doi: 10.1016/j.ensm.2018.09.019.

[20] W. Yao, J. Chen, L. Zhan, Y. Wang, and S. Yang, “Two-Dimensional Porous Sandwich-Like C/Si–Graphene–Si/C Nanosheets for Superior Lithium Storage,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 9, p. 39371, 2017, doi: 10.1021/acsami.7b11721.

[21] S. Batool, M. Idrees, J. Kong, J. Zhang, S. Kong, M. Dong, H. Hou, J. Fan, H. Wei, and Z. Guo, “Assessment of the electrochemical behaviour of silicon@carbon nanocomposite anode for lithium-ion batteries,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 832, p. 154644, 2020, doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154644.

[22] J. Wu, Y. Cao, H. Zhao, J. Mao, and Z. Guo, “The critical role of carbon in marrying silicon and graphite anodes for high‐energy lithium‐ion batteries,” Carbon Energy, vol. 1, no. 1, pp. 57-76, September 2019, doi: 10.1002/cey2.2.

[23] S. He, S. Huang, S. Wang, I. Mizota, X. Liu, and X. Hou, “Considering critical factors of silicon/graphite anode materials for practical high-energy lithium-ion battery applications,” Energy & Fuels, vol. 35, pp. 944-964, 2021, doi: 10.1021/acs.energyfuels.0c02948.

[24] P. Ruvinskiy, I. V. Barsukov, O. Mashtalir, C. M. Reid, J. J. Wu, and Y. Gogotsi, “Nano-silicon containing composite graphitic anodes with improved cycling stability for application in high energy lithium-ion batteries,” ECS Journal of Solid State Science and Technology, vol. 2, no. 10, p. M3028, 2013, doi: 10.1149/2.006310jss.

[25] C. H. Yim, S. Niketic, N. Salem, O. Naboka, and Y. Abu-Lebdeh, “Towards improving the practical energy density of Li-ion batteries: optimization and evaluation of silicon: graphite composites in full cells,” Journal of The Electrochemical Society, vol. 164, no. 1, p. A6294, 2016, doi: 10.1149/2.0481701jes.

[26] X. Han, X. Feng, M. Ouyang et al., “A Comparative Study of Charging Voltage Curve Analysis and State of Health Estimation of Lithium-ion Batteries in Electric Vehicle,” Automot. Innov., vol. 2, pp. 263-275, 2019, doi: 10.1007/s42154-019-00080-2.

[27] M. Loveridge, M. Lain, I. Johnson et al., “Towards High Capacity Li-ion Batteries Based on Silicon-Graphene Composite Anodes and Sub-micron V-doped LiFePO₄ Cathodes,” Sci. Rep., vol. 6, 2016, Art. no. 37787, doi: 10.1038/srep37787.

[28] Y. Jin, B. Zhu, Z. Lu, N. Liu, and J. Zhu, “Challenges and recent progress in the development of Si anodes for lithium‐ion battery,” Advanced Energy Materials, vol. 7, no. 23, September 2017, Art. no. 1700715, doi: 10.1002/aenm.201700715.

[29] V. A. Agubra and J. W. Fergus, “The formation and stability of the solid electrolyte interface on the graphite anode,” Journal of Power Sources, vol. 268, pp. 153-162, 2014, doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.06.024.

[30] N. Lin et al., “Understanding the crack formation of graphite particles in cycled commercial lithium-ion batteries by focused ion beam-scanning electron microscopy,” Journal of Power Sources, vol. 365, pp. 235-239, 15 October 2017, doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.08.045.

DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5428

Các bài báo tham chiếu

Hiện tại không có bài báo tham chiếu



Ghi nhớ