ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО АНОДНОГО МАТЕРИАЛА «СФЕРИЧЕСКИЙ ГРАФИТ – SnO2»
Аннотация
В данной работе проведено исследование процесса получения композиционного материала “сферический графит – оксид олова” с целью его дальнейшего использования в качестве анодного материала литий-ионных аккумуляторов. Получение композита проводили путем пропитки сферического графита водно-спиртовым раствором SnCl4 с последующей термической деструкцией. В работе изучено влияние параметров удельного расхода хлорида олова на физико-химические и электрохимические свойства композита. Методами рентгенофазового анализа и рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии подтверждено включение диоксида олова в состав получаемых образцов. Термогравиметрическим способом установлено, что увеличение удельного расхода SnCl4 с 1,7 до 3,5 г на грамм сферического графита приводит к росту содержания SnO2 в образце с 2,6 до 6,9 масс%. Степень превращения хлорида олова в оксид при этом снижалась с 52 до 33%. Равномерность получаемой оболочки из диоксида олова на частицах сферического графита исследована с помощью построения энергодисперсионных карт распределения элементов. Данным способом подтверждено образование композиционного материала со структурой ядро-оболочка, где ядром служат частицы сферического графита, а оболочкой наночастицы SnO2. Наблюдалось равномерное покрытие, отдельные незакрепленные на графите частицы оксида отсутствуют. Рентгеноструктурный анализ композитов показал, что при массовом соотношении SnCl4:сферический графит более 3,5 наблюдается увеличение размеров областей когерентного рассеивания для частиц оксида олова, что свидетельствует о росте их размеров. Кроме того, модификация сферического графита оксидом олова приводит к увеличению площади удельной поверхности с 8,4 до 13,6 м2/г, что может привести к снижению начальной кулоновской эффективности композиционного материала. Проведенные электрохимические испытания макета литий-ионного аккумулятора показали, что при содержании в композите SnO2 6,9% наблюдается рост удельной емкости анодного материала на 111 мА∙ч/г.
Для цитирования:
Братков И.В., Иванов А.Д., Колчин А.Д., Савицкий И.А. Получение композиционного анодного материала «сферический графит – SnO2». Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 1. С. 55-62. DOI: 10.6060/ivkkt.20256801.7099.
Литература
Zhen Chen, Dominic Bresser. The success story of graphite as a lithiumion anode material – fundamentals, remaining challenges, and recent developments including silicon (oxide) composites. Sust. Energy Fuels. 2020. N 4. P. 5387–5416. DOI: 10.1039/d0se00175a.
Bratkov I.V., Ivanov A.D., Kolchin A.D., Savitskiy I.A. Study of the process of obtaining a composite material "spherical graphite – Fe2O3". ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 3. P. 127-134. DOI: 10.6060/ivkkt.20246703.7041.
Zhang Yi Di, Li Yi, Xia Xin Hui, Wang Xiu Li, Gu Chang Dong, Tu Jiang Ping. Highenergy cathode materials for Li- ion batteries: A review of recent developments. J. Sci. China Tech. Sci. 2015. V. 58. N 11. P. 1809–1828. DOI: 10.1007/ s11431-015-5933-x.
Yao W, Wu S, Zhan L, Wang Y. Two-dimensional porous carboncoated sandwichlike mesoporous SnO2/graphene/mesoporous SnO2 nanosheets towards high-rate and long cycle life lithiumion batteries. Chem. Eng. J. 2019. V. 361. P. 329–341. DOI: 10.1016/j.cej.2018.08.217.
Sorensen E.M., Barry S.J., Jung H.-K., Rondinelli J.R., Vaughey J.T., Poeppelmeier K.R. MnO powder as anode active materials for lithium ion batteries. Chem. Mater. 2010. V. 195. N 10. P. 3303-3308. DOI: 10.1016/j.jpowsour. 2009.11.133.
Reddy A.L.M., Shaijumon M.M., Gowda S.R., Ajayan P.M. Coaxial MnO2/carbon nanotube array electrodes for high-performance lithium batteries. Nano Lett. 2009. V. 9. N 3. P. 1002-1006. DOI: 10.1021/nl803081j.
Zhang W.M., Wu X.L., Hu J.S., Guo Y.G., Wan L.J. Carbon coated Fe3O4 nanospindles as a superior anode material for lithiumion batteries. Adv. Funct. Mater. 2008. V. 18. N 24. P. 3941-3946. DOI: 10.1002/adfm.200801386.
Reddy M.V., Yu T., Sow C.H., Shen Z.X., Lim C.T., Subba Rao G.V., Chowdari B.V.R. α-Fe2O3 Nanoflakes as an anode material for li-ion batteries. Adv. Funct. Mater. 2007. V. 17. N 15. P. 2792-2799. DOI: 10.1002/adfm.200601186.
Kang Y.M., Song M.S., Kim J.H., Kim H.S., Park M.S., Lee J.Y., Liu H.K., Dou S.X. A study on the charge–discharge mechanism of Co3O4 as an anode for the Li ion secondary battery. Electrochim. Acta. 2005. V. 50. P. 3667-3673. DOI: 10.1016/j.electacta.2005.01.012.
Liu H., Wang G., Liu J., Qiao S., Ahn H. Highly ordered mesoporous NiO anode material for lithium ion batteries with an excellent electrochemical performance. J. Mater. Chem. 2011. V. 21. N 9. P. 3046-3052. DOI: 10.1039/ C0JM03132A.
Sun X., Radovanovic P.V., Cui B. Advances in spinel Li4Ti5O12 anode materials for lithiumion batteries. New J. Chem. 2015. V. 39. N 1. P. 38–63. DOI: 10.1039/ C4NJ01390E.
Mohd Asyadi Azam, Nur Ezyanie Safie, Aina Syuhada Ahmad, Nor Aqilah Yuza, Nor Syazana Adilah Zulkifli. Recent advances of silicon, carbon composites and tin oxide as new anode materials for lithiumion battery: A comprehensive review. J. Energy Storage. 2021. V. 33. N 7. A. 102096. DOI: 10.1016/j.est.2020.102096.
Chen J.S., Lou X.W. Small. SnO2-based nanomaterials: synthesis and application in lithiumion batteries. J. Small. 2013. V. 9. N 11. P. 1877-1893. DOI: 10.1002/ smll.201202601.
Courtney I.A., Dahn J.R. Electrochemical and in situ X−ray diffraction studies of the reaction of lithium with tin oxide composites. J. Electrochem. Soc. 1997. V. 144. N 6. P. 2045-2052. DOI: 10.1149/1.1837740.
Mesfin A. Kebede. Tin oxide–based anodes for both lithium-ion and sodiumion batteries. Curr. Opinion Elec-trochem. 2020. V. 21. P. 182-187. DOI: 10.1016/j.coelec. 2020.02.003.
Wang X., Cao X., Bourgeois L., Guan H., Chen S., Zhong Y., Tang D.-M., Li H., Zhai T., Li L., Bando Y., Golberg D. N-Doped graphene-SnO2 sandwich paper for high-performance lithiumion batteries. Adv. Funct. Mater. 2012. V. 22. N 9. P. 2682-2690. DOI: 10.1002/adfm.201103110.
Paek S.M., Yoo E.J., Honma I. Enhanced cyclic performance and lithium storage capacity of SnO2/graphene nanoporous electrodes with three-dimensionally delaminated flexible structure. Nano Lett. 2009. V. 9. N 1. P. 72-75. DOI: 10.1021/nl802484w.
Zhang H.X., Feng C., Zhai Y.C., Jiang K.L., Li Q.Q., Fan S.S. Cross-stacked carbon nanotube sheets uniformly loaded with SnO2 nanoparticles: a novel binder-free and high-capacity anode material for lithiumion batteries. Adv. Mater. 2009. V. 21. N 22. P. 2299-2304. DOI: 10.1002/adma.200802290.
Kim H., Ok Park G., Kim Y., Muhammad S., Yoo J., Balasubramanian M., Cho Y.H., Kim M.G., Lee B., Kang K., Kim H., Kim J.M., Yoon W.S. New insight in-to the reaction mechanism for exceptional capacity of ordered mesoporous SnO2 electrodes via synchrotron-based X ray analysis. Chem. Mater. 2014. V. 26. N 22. P. 6361-6370. DOI: 10.1021/cm5025603.
Brousse T., Retoux R., Herterich U., Schleic D.M. Thinfilm crystalline SnO2-lithium electrodes. J. Electrochem. Soc. 1998. V. 145. N 1. P. 1-4. DOI: 10.1149/1.1838201.
Jian Yu Huang, Li Zhong, Chongmin Wang, John P Sullivan, Wu Xu, Liqiang Zhang, Scott X Mao, Nicholas Hudak, Xiao Hua Liu, Arunkumar Subramanian, Hongyou Fan, Liang Qi, Akihiro Kushima, Ju Li. In situ observation of the electrochemical lithiation of a single SnO2 nanowire electrode. J. Science. 2010. V. 330. P. 1515-1520. DOI: 10.1126/science.1195628.
Courtney I.A., McKinnon W.R., Dahna J.R.J. On the aggregation of tin in SnO composite glasses caused by the reversible reaction with lithium. Electrochem. Soc. 1999. V. 146. N 1. P. 59-68. DOI: 10.1149/1.1391565.
Yudina T.F., Blinichev V.N., Bratkov I.V., Gushchina T.V., Melnikov A.G. Study of the process of spheroidization of natural graphites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 9-10. P. 48-52 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186109-10.5883.
Bratkov I.V., Ivanov A.D., Kolchin A.D., Savitsky I.A., Smirnov N.N. Study of the influence of mechanochemi-cal activation in an impactreflective mill on the crystal structure of natural graphite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 4. P. 68-74 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236604.6795.
