Наноструктурированный гибридный материал на основе оксидов олова и свинца для литий-ионного аккумулятора

Введение

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) представляют собой самую передовую технологию электрохимического накопления энергии для питания мобильных и бытовых приложений, при этом плотность энергии и мощности значительно превышают таковые в других аккумуляторных системах . Хотя в последние десятилетия был достигнут огромный прогресс в работе ЛИА, что делает возможным даже крупномасштабные применения для накопления энергии, такие как электромобили, постоянно растущий спрос на устройства накопления электрической энергии требует разработки новых аккумуляторных батарей для дальнейшего увеличения плотность энергии на клеточном уровне . Использование материалов с различными механизмами накопления энергии, такими как легирование или преобразование, вместо современного вставного анодного материала, графита, является многообещающим способом значительного увеличения емкости накопления заряда. Сегодня большинство коммерческих ЛИА имеют в своем составе углеродный анодный материал на основе графита, кокса и некоторых других форм углерода. Но в традиционный углеродный анод может внедряться не более одного иона лития на шесть атомов углерода – LiC6, что ограничивает его емкость значением, равным 372 мА∙ч/г . На этом фоне разработка новых функциональных электродных материалов с повышенным энергозапасом является актуальной задачей для современного материаловедения. Определенный интерес для использования в качестве активных веществ отрицательного электрода ЛИА представляют металлы и полуметаллы, способные принимать несколько ионов лития на формульную единицу, например Sn, Pb. Металлическое олово, сплавы олова, станнаты или халькогениды олова, такие как олово (ди) сульфид и олово (ди) оксид, были интенсивно исследованы в качестве материалов анода батареи. Среди перечисленных классов материалов металлическое олово обладает наибольшей теоретической емкостью, но страдает от серьезных проблем со стабильностью при долгосрочной работе. Диоксид олова (SnO2) и слоистые сульфиды (SnS или SnS2) демонстрируют сопоставимые теоретические возможности. Оксиды олова показывают более быструю кинетику литирования / делитирования и значительно улучшенную цикличность, тогда как реакция вставки и преобразования Li с SnS 2 является лишь частично обратимой . Таким образом, SnO2 считается потенциальным кандидатом в качестве активного анодного материала для ЛИА следующего поколения. Более 20 лет назад Идота и соавторы впервые сообщили о материалах из оксида олова, как многообещающем анодном материале . С тех пор материалы, содержащие оксид олова, привлекли огромное внимание благодаря высокой теоретической и объемной емкости, биологической совместимости, экологичности и довольно низкой стоимости. Кроме того, низкий разрядный потенциал SnO2 делает его еще более привлекательным в качестве материала анода в ЛИА . Из-за своего веса и токсичности свинец откладывался в качестве материала анода в перезаряжаемых ЛИА в течение многих лет. Это вызывает сожаление, поскольку ожидаются высокие теоретические возможности для образования Li 22 Pb 5 (568 мА ч / г). Кроме того, свинец является недорогим, и его широкое использование для ЛИА аккумуляторов ясно показывает, что риски, связанные с токсичностью, могут быть снижены с помощью соответствующей безопасной упаковки. Очень высокая степень переработки 99% также является важным моментом с точки зрения стоимости. В этой работе свинец рассматривается как еще один потенциальный материал отрицательного электрода для ЛИА. Согласно термодинамической фазовой диаграмме Li – Pb, электрохимическое легирование Pb Li приводит к полной литиевой фазе LiPb. Эта работа объединяет общую структуру исследования альтернативного материала отрицательного электрода для следующих эффективных и устойчивых ЛИА.