УГЛЕРОД НА ОСНОВЕ КАРБОНИЗИРОВАННОЙ ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ В КАЧЕСТВЕ АНОДНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НАТРИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Аннотация
Работа посвящена разработке анодного материала для натрий-ионных батарей. В качестве такого материала широко применяют неграфитируемый углерод, поскольку ионы натрия могут интеркалироваться в псевдографитовые домены и обратимо адсорбироваться на краях поверхности, дефектах и наноразмерных порах. В настоящей работе изготовлены и исследованы образцы материала для анодов натрий-ионных аккумуляторов на основе неграфитируемого углерода, полученного карбонизацией фенолформальдегидной смолы с мольным соотношением реагентов 1:1. На основе такого прекурсора проведены две серии экспериментов по синтезу трех анодных материалов, в которых установлено влияние температуры карбонизации (1000/1100/1200/1400 °С) и влияние времени выдержки при температуре 1100 °С (30/60/90/120/180/240 мин). Изготовленные материалы исследованы методами просвечивающей электронной микроскопии, растровой электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. В результате электрохимических измерений установлено, что температура карбонизации фенолформальдегидной смолы сильно влияет на разрядную емкость конечного материала, которая возрастает до 311 мА·ч/г на первом цикле при переходе от 1000 до 1100 °С и далее снижается. В то же время зависимость емкости от времени выдержки также немонотонна и имеет некий оптимум в районе 180 мин. При этом кулоновская эффективность на первом цикле меняется от 70 до 85% и превышает 80% для образца, выдержанного в течение 180 мин при температуре 1100 °С.
Для цитирования:
Урванов С.А., Насрауи М., Филимоненков И.С., Мордкович В.З. Углерод на основе карбонизированной фенолформальдегидной смолы в качестве анодного материала для натрий-ионных аккумуляторов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 80-87. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.12y.
Литература
Prajapati A. K., Bhatnagar A. A review on anode materials for lithium/sodium-ion batteries. J. Energy Chem. 2023. V. 83. P. 509-540. DOI: 10.1016/j.jechem.2023.04.043.
Guseva E.S., Popova S.S. Peculiarities of process kinetics of forming cathode material of composition LiхLayMn1-yO2(C60)n for lithium –ion battery. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 11. P. 99-105. DOI: 10.6060/ivkkt.20196211.5966.
Lu Y., Lu Y., Niu Zh., Chen J. Graphene-Based Nano-materials for Sodium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. N 17. P. 1702469. DOI: 10.1002/aenm.201702469.
Goriparti S., Miele E., De Angelis F., Di Fabrizio E., Zaccaria R.P., Capiglia C. Review on recent progress of nanostructured anode materials for Li-ion batteries. J. Power Sources. 2014. V. 257. P. 421-443. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.11.103.
Jeevan T., Tadele G., Yizengaw L., Johnson M. Review on Recent Progress of Nanostructured Anode Materials for Li-Ion Batteries. Am. J. Anal. Chem. 2022. V. 13. N 11. P. 431-448. DOI: 10.4236/ajac.2022.1311029.
Delmas C. Sodium and Sodium-Ion Batteries: 50 Years of Research. Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. N 17. P. 1703137. DOI: 10.1002/aenm.201703137.
Goikolea E., Palomares V., Wang S., de Ruiz I., Guo X., Wang G., Rojo T. Na-Ion Batteries—Approaching Old and New Challenges. Adv. Energy Mater. 2020. V. 10. N 44. P. 2002055. DOI: 10.1002/aenm.202002055.
Yudina T.F., Blinichev V.N., Bratkov I.V., Gushchina Т.V., Melnikov A.G. Investigation of process of natural graphite spheroidization. ChemChemTech. [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 9-10. P. 48-52. DOI: 10.6060/ivkkt.20186109-10.5883.
Slater M.D., Kim D., Lee E., Johnson C.S. Sodium-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2013. V. 23. N 8. P. 947-958. DOI: 10.1002/adfm.201200691.
Nitta N., Wu F., Lee J.T., Yushin G. Li-ion battery materi-als: present and future. Mater. Today. 2015. V. 18. N 5. P. 252-264. DOI: 10.1016/j.mattod.2014.10.040.
Zhao D., Zhang Z., Ren J., Xu Y., Xu X., Zhou J., Gao F., Tang H., Liu S., Wang Z. Fe2VO4 nanoparticles on rGO as anode material for high-rate and durable lithium and sodium ion batteries. Chem. Eng. J. 2023. V. 451. P. 138882. DOI: 10.1016/j.cej.2022.138882.
Tarascon J.-M. Na-ion versus Li-ion batteries: complementarity rather than competitiveness. Joule. 2020. V. 4. P. 1616-1620. DOI: 10.1016/j.joule.2020.06.003.
Perveen T. Prospects in anode materials for sodium ion batteries - A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2020. V. 119. P. 109549. DOI: 10.1016/j.rser.2019.109549.
Nobuhara K., Nakayama H., Nose M., Nakanishi S., Iba H. First-principles study of alkali metal-graphite intercalation compounds. J. Power Sources. 2013. V. 243. P. 585−587. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.06.057.
Kondo Y., Fukutsuka T., Miyazaki K., Miyahara Y., Abe T. Investigation of Electrochemical Sodium-Ion Intercalation Behavior into Graphite-Based Electrodes. J. Electrochem. Soc. 2019. V. 166. N 3. P. 5323. DOI: 10.1149/2.0431903jes.
Besenhard J.O. The electrochemical preparation and properties of ionic alkali metal-and NR4-graphite intercalation com-pounds in organic electrolytes. Carbon. 1976. V. 14. N 2. P. 111–115. DOI: 10.1016/0008-6223(76)90119-6.
Rimkute G., Gudaitis M., Barkauskas J., Zarkov A., Niaura G., Gaidukevic J. Synthesis and Characterization of Graphite Intercalation Compounds with Sulfuric Acid. Crys-tals 2022. V. 12. P. 421. DOI: 10.3390/cryst12030421.
Hasa I. Challenges of today for Na-based batteries of the future: From materials to cell metrics. J. Power Sources. 2021. V. 482. P. 228872. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228872.
Xie F., Xu Z., Guo Z., Titirici M.M. Hard carbons for sodium-ion batteries and beyond. Progress Energy. 2020. V. 2. P. 042002. DOI: 10.1088/2516-1083/aba5f5.
Sarkar S. Recent Progress in Amorphous Carbon-Based Materials for Anodes of Sodium-Ion Batteries: Synthesis Strategies, Mechanisms, and Performance. ChemSusChem. 2021. V. 14. P. 3693–3723. DOI: 10.1002/cssc.202101270.
Wang Y., Zhao Y., Liu K. Li intercalation in an MoSe2 electrocatalyst: in situ observation and modulation of its precisely controllable phase engineering for a high-performance flexible Li-S battery. Carbon Energy. 2023. V. 5. P. e255. DOI: 10.1002/cey2.255.
Beda A., Taberna P.-L., Simon P., Ghimbeu C.M. Hard carbons derived from green phenolic resins for Na-ion batteries. Carbon. 2018. V. 139. P. 248-257. DOI: 10.1016/j.carbon.2018.06.036.
Xinwei Dou. Hard carbons for sodium-ion batteries: Structure, analysis, sustainability, and electrochemistry. Mater. To-day. 2019. V. 23. P. 87-104. DOI: 10.1016/j.mattod.2018.12.040.
Li Z. High Capacity of Hard Carbon Anode in Na-Ion Batteries Unlocked by POx Doping. ACS Energy Lett. 2016. V. 1. N 2. P. 395–401. DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00172.
Bobyleva Z.V., Drozhzhin O.A., Dosaev K.A., Kamiyama A., Ryazantsev S.V., Komaba S., Antipov E.V. Unveiling pseudocapacitive behavior of hard carbon anode materials for sodiumion batteries. Electrochim. Acta. 2020. V. 354. P. 136647. DOI: 10.1016/J.ELECTACTA.2020.136647.
Aloyev V.Z., Zhirikova Z.M., Tarchokova M.A. Effectiveness of use of nano fillers of different types in polymeric composites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 4. P. 81-85. DOI: 10.6060/ivkkt.20206304.6158.
Kuznetsova T.S., Burakov A.E., Pasko T.V., Burakova I.V., Dyachkova T.P., Memetova A.E. Physico-chemical and sorption properties of nanocomposite aerogels based on modified carbon nanotubes and graphene. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 3. P. 66-76. DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6726.
Nasraoui M., Urvanov S.A., Filimonenkov I.S., Mordkovich V.Z. Hybrid carbon materials for sodium-ion battery anodes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 89-96. DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.4y.
