ГИБРИДНЫЕ УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АНОДОВ НАТРИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Аннотация
В настоящее время есть существенная потребность в новых доступных и недорогостоящих аккумуляторах, например, на основе натрия, но технология натрий-ионных батарей (НИБ) все еще находится на ранней стадии разработки. Разработка высокоэффективных анодов и полное понимание механизмов накопления натрия являются основными вопросами, требующими решения. Литий- (ЛИБ) и натрий-ионные батареи (НИБ) имеют схожие компоненты и сходный электрохимический принцип работы. При этом графит, будучи наиболее распространенным анодным материалом, используемым в коммерческих ЛИБ, демонстрирует плохие электрохимические характеристики при использовании в НИБ. Для НИБ в качестве анодного 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 гибридные углеродные материалы для анодов натрий-ионных аккумуляторов на основе неграфитируемого углеродного материала ФФ11, фенолформальдегидной смолы с добавлением графитсодержащих и графитоподобных добавок, таких как коллоидный графит (ГК) и графен, функционализированный фенолформальдегидными группами (ГМФ). На основе прекурсора ФФ11 были проведены две серии экспериментов по синтезу трех анодных материалов с концентрациями графитируемой добавки 0,2; 1 и 5 масс. % в расчете на массу углерода в смоле. Изготовленные материалы исследованы методами просвечивающей электронной микроскопии, растровой электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. В результате электрохимических измерений установлено, что присутствие в анодном материале ФФ11 добавок ГК не приводит к существенным изменениям вида зарядо-разрядной кривой и величины разрядной емкости, однако заметно улучшает циклируемость материала: кулоновская эффективность зарядо-разрядного цикла в этом случае достигает 99,8-99,9% при разрядной емкости на уровне 250 мАч/г. Напротив, введение в анодный материал добавок ГМФ приводит к существенному увеличению емкости, которая при содержании добавки 5% достигает 293 мАч/г, в то время как кулоновская эффективность сохраняется на уровне 96,5-98,5%. Показано, что все исследованные анодные материалы характеризуются высокой циклической стабильностью.
Для цитирования:
Насрауи М., Урванов С.А., Филимоненков И.С., Мордкович В.З. Гибридные углеродные материалы для анодов натрий-ионных аккумуляторов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 10. С. 89-96. DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.4y.
Литература
Guseva E.S., Popova S.S. // 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. // 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. // 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. // Am. J. Anal. Chem. 2022. V. 13. N 11. P. 431-448. DOI: 10.4236/ajac.2022.1311029.
Delmas C. // 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. // Adv. Energy Mater. 2020. V. 10. N 44. P. 2002055. DOI: 10.1002/aenm.202002055.
Slater M.D., Kim D., Lee E., Johnson C.S. // 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. // Materials today. 2015. 18(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. // Chem. Eng. J. 2023. 451. 138882. DOI: 10.1016/j.cej.2022.138882.
Tarascon J.-M. // Joule. 2020. 4. P. 1616-1620. DOI: 10.1016/j.joule.2020.06.003.
Tahira Perveen. // Renew. Sustain. En. Rev. 2020. V. 119. 109549. DOI: 10.1016/j.rser.2019.109549.
Nobuhara K., Nakayama H., Nose M., Nakanishi S., Iba H. // J. Power Sources. 2013. 243. P. 585−587. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.06.057.
Kondo Y., Fukutsuka T., Miyazaki K., Miyahara Y., Abe T. // J. Electrochem. Soc. 2019. 166 (3). A5323. DOI: 10.1149/2.0431903jes.
Besenhard J.O. // Carbon. 1976. 14(2). P. 111–115. DOI: 10.1016/0008-6223(76)90119-6.
Rimkute G., Gudaitis M., Barkauskas J., Zarkov A., Niaura G., Gaidukevic J. // Crystals. 2022. 12. 421. .DOI: 10.3390/cryst12030421.
Hasa I. // J. Power Sources. 2021. 482. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228872.
Xie F., Xu Z., Guo Z., Titirici M.M. // Progress Energy. 2020. V. 2. DOI: 10.1088/2516-1083/aba5f5.
Sarkar S. // ChemSusChem. 2021. V. 14. P. 3693–3723. DOI: 10.1002/cssc.202101270.
Khaskov M.A., Shestakov A.M., Sinyakov S.D., Sorokin O.Yu., Gulyaev A.I., Zelenina I.V. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 31-37. DOI: 10.6060/ivkkt.20186111.3y.
Wang Y., Zhao Y., Liu K., Wang Sh., Li N., Shao G., Wang F., Zhang P. // Carbon Energy. 2023. V. 5. P. e255. DOI: 10.1002/cey2.255.
Adrian Beda, Pierre-Louis Taberna, Patrice Simon, Camélia Matei Ghimbeu. // Carbon. 2018. V. 139. P. 248-257. DOI: 10.1016/j.carbon.2018.06.036.
Xinwei Dou. // Materials Today. 2019. V. 23. P. 87-104. DOI: 10.1016/j.mattod.2018.12.040.
Li Z. // ACS Energy Lett. 2016. 1 (2). P. 395–401. DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00172.
Aloyev V.Z., Zhirikova Z.M., Tarchokova M.A. // 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. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn.Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 3. P. 66-76. DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6726.
Evdokimov I.A., Khairullin R.R., Perfilov S.A., Pozdnyakov A.A., Kulnitskiy B.A., Sukhorukov D.V., Pakhomov I.V., Lomakin R.L. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 37-43. DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.3y.
Gerasimova A.V., Memetov N.R., Tkachev A.G., Ya-gubov V.S. // Science Vector Togliatti State University. 2020. (3). P. 19-25. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-3-19-25.
