RU2556011C2 - Cathode material for lithium ion batteries based on modified phosphates - Google Patents
Cathode material for lithium ion batteries based on modified phosphates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556011C2 RU2556011C2 RU2013143757/04A RU2013143757A RU2556011C2 RU 2556011 C2 RU2556011 C2 RU 2556011C2 RU 2013143757/04 A RU2013143757/04 A RU 2013143757/04A RU 2013143757 A RU2013143757 A RU 2013143757A RU 2556011 C2 RU2556011 C2 RU 2556011C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lithium
- ion batteries
- phosphate
- sublattice
- lithium ion
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и батарей на их основе, предназначенных для использования в качестве накопителей энергии для электротранспорта, альтернативной энергетики, источников бесперебойного питания, систем рекуперации электроэнергии и выравнивания сетевых нагрузок.The invention relates to the electrical industry and can be used in the production of lithium-ion batteries (LIA) and batteries based on them, intended for use as energy storage devices for electric vehicles, alternative energy, uninterruptible power supplies, energy recovery systems and balancing network loads.
В последнее время особую актуальность приобретает проблема разработки накопителей энергии для таких областей применения, как электротранспорт, источники бесперебойного питания, системы рекуперации энергии и выравнивания сетевых нагрузок, а также установки, использующие для выработки электричества альтернативные (возобновляемые) источники энергии. На сегодняшний день в качестве наиболее перспективных накопителей энергии зарекомендовали себя батареи литий-ионных аккумуляторов благодаря таким преимуществам, как высокая удельная энергия, низкий саморазряд, отсутствие эффекта памяти и необходимости в периодическом обслуживании. Широко известны ЛИА, в которых в качестве активного материала положительного электрода применяется кобальтат лития LiCoO2 [1]. Подобные аккумуляторы снискали широкое применение в качестве источников питания для портативной электроники, однако являются неприемлемыми для таких областей применения, как транспорт и энергетика, требующих высоких мощностных, циклических и температурных характеристик, в силу следующих практических недостатков:Recently, the problem of developing energy storage devices for such applications as electric vehicles, uninterruptible power supplies, energy recovery systems and balancing network loads, as well as installations that use alternative (renewable) energy sources to generate electricity, has become particularly urgent. Today, lithium-ion batteries have established themselves as the most promising energy storage devices due to such advantages as high specific energy, low self-discharge, lack of memory effect and the need for periodic maintenance. LIAs are widely known in which lithium cobaltate LiCoO 2 is used as the active material of the positive electrode [1]. Such batteries are widely used as power sources for portable electronics, but are unacceptable for applications such as transport and energy, requiring high power, cyclic and temperature characteristics, due to the following practical disadvantages:
- недолгий срок службы (500 циклов);- short service life (500 cycles);
- необратимое снижение емкости при высоких потенциалах и температурах из-за фазовых переходов в материале положительного электрода;- an irreversible decrease in capacitance at high potentials and temperatures due to phase transitions in the positive electrode material;
- небезопасность в процессе эксплуатации из-за выделения тепла при взаимодействии делитированного оксида кобальта с электролитом;- insecurity during operation due to heat generation during the interaction of deliberate cobalt oxide with an electrolyte;
- дороговизна и токсичность кобальта.- the high cost and toxicity of cobalt.
Перспективным путем создания высокомощных ЛИА с более стабильными характеристиками является использование альтернативных электродных материалов. Известен материал положительного электрода ЛИА на основе литий-марганцевой шпинели LiMn2O4 [2], нетоксичный, более дешевый и безопасный в эксплуатации по сравнению с кобальтатом лития. Недостатком литий-марганцевой шпинели является необратимое падение емкости в процессе циклирования, особенно при повышенной температуре, что делает данный материал неподходящим при разработке ЛИА для транспорта и энергетики.A promising way to create high-power LIA with more stable characteristics is the use of alternative electrode materials. Known material of the positive electrode LIA based on lithium-manganese spinel LiMn 2 O 4 [2], non-toxic, cheaper and safe to use compared with lithium cobalt. The disadvantage of lithium-manganese spinel is an irreversible drop in capacity during cycling, especially at elevated temperatures, which makes this material unsuitable for the development of LIB for transport and energy.
Известен материал положительного электрода ЛИА на основе феррофосфата лития LiFePO4 [3], обладающий такими преимуществами, как нетоксичность, высокая емкость, стабильность и безопасность при циклировании, благодаря тому, что в структуре фосфата кислород химически связан сильнее, чем в структуре оксида. С другой стороны, строение молекул феррофосфата лития обусловливает ряд присущих ему недостатков. Из-за особенностей кристаллической структуры ионы лития при заряде и разряде аккумулятора могут передвигаться только в одном измерении, а не в трех, как в традиционных катодных материалах на основе оксидов переходных металлов. Это является причиной низкой проводимости катодного материала, как ионной, так и электронной, что, в свою очередь, обусловливает пониженное значение удельной энергии (380 Вт·ч/кг). Кроме того, из-за низкой проводимости феррофосфата лития наблюдается значительное снижение емкости и мощности ЛИА в процессе эксплуатации при низких температурах.Known material of the positive electrode LIA based on lithium ferrophosphate LiFePO 4 [3], which has such advantages as non-toxicity, high capacity, stability and safety during cycling, due to the fact that oxygen is chemically more strongly bonded in the phosphate structure than in the oxide structure. On the other hand, the structure of lithium ferrophosphate molecules causes a number of inherent disadvantages. Due to the specific features of the crystal structure, lithium ions can move only in one dimension during charge and discharge of a battery, and not in three, as in traditional cathode materials based on transition metal oxides. This is the reason for the low conductivity of the cathode material, both ionic and electronic, which, in turn, leads to a lower value of specific energy (380 W · h / kg). In addition, due to the low conductivity of lithium ferrophosphate, there is a significant decrease in the capacity and power of LIB during operation at low temperatures.
Техническое решение, принятое за прототип по патенту [4], состоит в использовании в качестве положительного электрода ЛИА сложных литийсодержащих фосфатов состава Li3M'yM''2-у(PO4)3, где М' и М'' - переходные металлы, выбранные из ряда Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Mo, Ni, Cu. Наиболее перспективным из возможных сочетаний представляется литированный фосфат ванадия (фосфат лития-ванадия, фосфованадат лития) Li3V2(PO4)3, столь же безопасный в эксплуатации, как LiFePO4, и в то же время имеющий более высокую емкость 197 мА·ч/г против 170 мА·ч/г у LiFePO4 благодаря способности обратимо интеркалировать не один, а три иона лития. Особенности кристаллической структуры Li3V2(PO4)3 позволяют обратимо внедрять литий не в одном, а в трех измерениях, что, в свою очередь, обусловливает более высокие значения коэффициента диффузии лития (в пять раз выше, чем у феррофосфата лития), плотности энергии (530 Вт·ч/кг). Кроме того, разрядное напряжение ЛИА с положительными электродами на основе Li3V2(PO4)3 составляет 4,1В против 3,3В у LiFePO4.The technical solution adopted for the prototype according to the patent [4] consists in the use of complex lithium-containing phosphates of the composition Li 3 M ' y M'' 2-y (PO 4 ) 3 , where M' and M '' are transitional as a positive electrode LIA metals selected from the series Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Mo, Ni, Cu. The most promising possible combination seems to be lithiated vanadium phosphate (lithium vanadium phosphate, lithium phosphovanadate) Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , as safe to use as LiFePO 4 , and at the same time having a higher capacity of 197 mA h / g versus 170 mAh / g in LiFePO 4 due to its ability to reversibly intercalate not one, but three lithium ions. The crystal structure features of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 allow lithium to be reversibly introduced in not one but three dimensions, which, in turn, leads to higher values of the diffusion coefficient of lithium (five times higher than that of lithium ferrophosphate), energy density (530 W · h / kg). In addition, the discharge voltage of the LIA with positive electrodes based on Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 is 4.1 V versus 3.3 V for LiFePO 4 .
Практическое применение Li3V2(PO4)3 в качестве активного материала ЛИА пока сдерживается недостатком, присущим всем полианионным фосфатным активным материалам, а именно невысокой внутрикристаллической проводимостью, обусловленной размещением ионов переходного металла (ванадия) внутри достаточно удаленных друг от друга октаэдров VO6. Кроме того, Li3V2(PO4)3 демонстрирует значительную деградацию емкости при заряде до потенциала 4,8В, необходимом для извлечения более чем двух ионов Li+; кроме того, при этом наблюдается растворение ванадия. Указанные недостатки обусловливают деградацию емкости в процессе циклирования. Одним из путей предотвращения растворения ванадия и увеличения электропроводности является нанесение поверхностного углеродного покрытия. При этом, однако, внутренняя проводимость материала как по ионам лития, так и по электронам остается практически неизменной, а сохранность заряда неудовлетворительной - даже с углеродным покрытием емкость лучших образцов после 50 зарядно-разрядных циклов составляет 137,5 мА·ч/г или 94,6% начальной разрядной емкости. Более перспективным путем стабилизации структуры активного материала, повышения внутренней проводимости и улучшения электрохимических характеристик Li3V2(PO4)3 является изовалентное или алиовалентное допирование по катионной или анионной подрешеткам.The practical use of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 as an active LIA material is still hindered by the drawback inherent in all polyanionic phosphate active materials, namely, low intracrystalline conductivity due to the placement of transition metal ions (vanadium) inside VO 6 octahedra that are quite distant from each other . In addition, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 exhibits significant capacitance degradation when charged to a 4.8V potential, which is necessary to extract more than two Li + ions; in addition, vanadium dissolution is observed. These disadvantages cause degradation of the tank during the cycling process. One way to prevent vanadium from dissolving and increase electrical conductivity is by applying a carbon surface coating. However, the internal conductivity of the material both in lithium ions and in electrons remains practically unchanged, and the charge safety is unsatisfactory - even with a carbon coating, the capacity of the best samples after 50 charge-discharge cycles is 137.5 mAh / g or 94 , 6% of the initial discharge capacity. A more promising way of stabilizing the structure of the active material, increasing the internal conductivity and improving the electrochemical characteristics of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 is isovalent or alivalent doping along cationic or anionic sublattices.
Целью настоящего изобретения является разработка катодного активного материала для литий-ионных аккумуляторов, сочетающего в себе преимущества и в то же время лишенного недостатков фосфата лития-ванадия Li3V2(PO4)3. Отличительной особенностью предлагаемого материала является стабильная разрядная емкость в процессе циклирования. Внедрение предлагаемого активного материала позволяет устранить проблемы, препятствующие созданию безопасных, стабильных и долговечных литий-ионных батарей для транспорта и энергетики с высокими энергией и мощностью, работоспособные в течение длительного периода времени в широком диапазоне температур и разрядных токов.The aim of the present invention is to develop a cathode active material for lithium-ion batteries, combining the advantages and at the same time devoid of the disadvantages of lithium vanadium phosphate Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 . A distinctive feature of the proposed material is a stable discharge capacity during the cycling process. The introduction of the proposed active material eliminates the problems that impede the creation of safe, stable and durable lithium-ion batteries for transport and energy with high energy and power, workable for a long period of time in a wide range of temperatures and discharge currents.
Техническим результатом является получение активного материала на основе литированного фосфата ванадия с поверхностным углеродным покрытием для использования в составе положительной активной массы ЛИА. Материал отличается тем, что кристаллы Li3V2(PO4)3 дополнительно модифицированы катионом Na+ по подрешетке лития, одним или несколькими катионами из группы, содержащей Mg2+, Al3+, Y3+и La3+, по подрешетке ванадия и анионом F- или Cl- по подрешетке фосфата, и представляют собой соединение состава Li3-xNaxV2-yMy(PO4)3-zHalz/C, где M - один или несколько металлов из группы, содержащей Mg, Al, Y, La; Hal = F, Cl; 0<x≤0,1; 0<y≤0,2; 0<z≤0,16.The technical result is to obtain an active material based on lithiated vanadium phosphate with a surface carbon coating for use in the composition of the positive active mass of LIA. The material is characterized in that Li crystals3V2(POfour)3 additionally modified with Na cation+ on the lithium sublattice, one or more cations from the group containing Mg2+Al3+, Y3+and La3+, on the vanadium sublattice and anion F- or Cl- sublattice of phosphate, and are a compound of composition Li3-xNaxV2-yMy(POfour)3-zHalz/ C, where M is one or more metals from the group consisting of Mg, Al, Y, La; Hal = F, Cl; 0 <x≤0.1; 0 <y≤0.2; 0 <z≤0.16.
Кристаллическая решетка фосфата лития-ванадия Li3V2(PO4)3 представляет собой трехмерный каркас {[V2(PO4)3]3-}3∞, составленный из слегка искаженных октаэдров VO6 и тетраэдров PO4 с общими кислородными вершинами, в пустотах (каналах) которого размещаются катионы Li+ (фиг. 1). Целенаправленный ввод в структуру фосфата лития-ванадия различных модифицирующих компонентов позволяет изменить параметры кристаллической решетки и тем самым улучшить электрохимические характеристики активного материала, например ускорить диффузию ионов лития и электронов или повысить стойкость материала к деградации в процессе циклирования.The crystal lattice of lithium vanadium phosphate Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 is a three-dimensional frame {[V 2 (PO 4 ) 3 ] 3- } 3∞ , composed of slightly distorted VO 6 octahedra and PO 4 tetrahedra with common oxygen vertices , in the voids (channels) of which Li + cations are located (Fig. 1). The purposeful introduction of various modifying components into the structure of lithium vanadium phosphate makes it possible to change the lattice parameters and thereby improve the electrochemical characteristics of the active material, for example, accelerate the diffusion of lithium ions and electrons or increase the resistance of the material to degradation during cycling.
Частичное замещение лития более крупными ионами натрия способствует увеличению объема элементарных ячеек, расширению внутрикаркасных каналов и облегчению миграции как ионов лития, так и электронов. Кроме того, добавка натрия приводит к сокращению расстояния между соседними ионами лития и увеличению длины связи Li-О, т.е. к ее ослаблению. Последнее способствует снижению энергии активации процесса извлечения ионов лития, уменьшению поляризации и сопротивления переносу заряда, увеличивая обратимость основной окислительно-восстановительной реакции и таким образом улучшая циклируемость. Важным моментом является то, что количество вводимого натрия х должно составлять не более 0,1; при больших количествах вводимого натрия моноклинная структура фосфата (α-фаза) трансформируется в ромбоэдрическую (n-фаза) (фиг.1), что может привести к увеличению скорости деградации емкости в процессе циклирования. Добавка малых количеств натрия не изменяет тип структуры, но при этом увеличивает степень разупорядочения атомов в кристаллической решетке и вызывает образование электронных дефектов, повышая как ионную, так и электронную составляющие проводимости активного материала, что способствует возрастанию величины отдаваемой емкости (фиг.2). Дополнительным положительным эффектом является уменьшение размера частиц и оптимизация морфологии активного материала, что также повышает его проводимость и емкость и улучшает циклируемость.Partial replacement of lithium with larger sodium ions contributes to an increase in the volume of unit cells, the expansion of intraframe channels, and facilitates the migration of both lithium ions and electrons. In addition, the addition of sodium leads to a decrease in the distance between neighboring lithium ions and an increase in the length of the Li – O bond, i.e. to her weakening. The latter contributes to a decrease in the activation energy of the process of extraction of lithium ions, to a decrease in polarization and resistance to charge transfer, increasing the reversibility of the main redox reaction and thereby improving cyclicity. An important point is that the amount of sodium x introduced should be no more than 0.1; with large amounts of sodium introduced, the monoclinic phosphate structure (α-phase) is transformed into a rhombohedral (n-phase) (Fig. 1), which can lead to an increase in the rate of capacity degradation during cycling. The addition of small amounts of sodium does not change the type of structure, but at the same time it increases the degree of disordering of atoms in the crystal lattice and causes the formation of electronic defects, increasing both the ionic and electronic components of the conductivity of the active material, which contributes to an increase in the value of the delivered capacitance (figure 2). An additional positive effect is a decrease in particle size and optimization of the morphology of the active material, which also increases its conductivity and capacity and improves cyclability.
Добавка Mg2+ в количестве у не более 0,2 не приводит к изменению структурного типа решетки, но способствует образованию электронных вакансий (дырок) в структуре фосфата, что обусловливает возникновение дополнительной проводимости р-типа и, таким образом, улучшает электропроводность. При вводе небольших количеств магния увеличивается структурный параметр с кристаллической решетки, что облегчает процесс обратимой интеркаляции ионов Li+. Необходимо отметить, что магний является электрохимически неактивным, поэтому слишком высокое содержание магния может привести к снижению начальной емкости из-за увеличения сопротивления переносу заряда и затрудненности диффузии лития ввиду того, что часть мест лития в элементарной ячейке будет занята магнием. Кроме того, добавка магния в количествах у до 0,2 способствует уменьшению размера частиц с увеличением у, однако при более высоких значениях у происходит агломерация частиц активного материала. При большом содержании магния, а также при низких (0,1ºС) скоростях циклирования существенного улучшения характеристик не наблюдается, однако добавление магния в пределах, указанных выше, способствует стабилизации структуры, уменьшению размеров частиц, снижению сопротивления активного материала и возрастанию электропроводности более чем в 10 раз. В результате улучшается циклируемость и увеличивается мощность ЛИА (фиг.3).The addition of Mg 2+ in an amount of no more than 0.2 does not change the structural type of the lattice, but contributes to the formation of electronic vacancies (holes) in the phosphate structure, which leads to the appearance of additional p-type conductivity and, thus, improves electrical conductivity. When small amounts of magnesium are introduced, the structural parameter from the crystal lattice increases, which facilitates the process of reversible intercalation of Li + ions. It should be noted that magnesium is electrochemically inactive, therefore, too high a magnesium content can lead to a decrease in the initial capacity due to an increase in charge transfer resistance and difficulty in lithium diffusion due to the fact that some of the lithium sites in the unit cell will be occupied by magnesium. In addition, the addition of magnesium in quantities of y to 0.2 contributes to a decrease in particle size with increasing y, however, at higher values of y agglomeration of particles of the active material occurs. At a high magnesium content, as well as at low (0.1 ° C) cycling rates, there is no significant improvement in performance, however, the addition of magnesium in the range indicated above helps to stabilize the structure, reduce particle size, reduce the resistance of the active material and increase the conductivity by more than 10 time. As a result, the cyclability improves and the LIA power increases (FIG. 3).
Добавка алюминия в количестве у не более 0,05 вызывает образование внутриструктурных дефектов, способствующих снижению сопротивления переносу заряда, повышению значения электропроводности на два порядка, облегчению переноса ионов лития внутри частиц фосфата. В результате увеличивается обратимость основной электродной реакции и удельная емкость, отдаваемая при разряде (фиг.2), улучшаются стабильность материала и сохранность емкости в ходе циклирования, возрастает мощность ЛИА. Кроме того, добавка Al3+ эффективно подавляет деградацию емкости в процессе циклирования ЛИА, даже при повышенных температурах. Следует заметить, что введение алюминия в больших количествах нежелательно, так как с увеличением содержания алюминия возможно образование других фаз и, кроме того, наблюдается увеличение размера частиц электродного материала, что ухудшает проводимость, снижая энергию и мощность. Совместное допирование литий-ванадий-фосфата добавкой Al+Mg способствует формированию более мелких кристаллов, что также благоприятно отражается как на электропроводности электродного материала, так и на электрохимических характеристиках всего аккумулятора.The addition of aluminum in an amount of no more than 0.05 causes the formation of intra-structural defects, which contribute to a decrease in charge transfer resistance, an increase in the electrical conductivity by two orders of magnitude, and facilitation of the transfer of lithium ions inside phosphate particles. As a result, the reversibility of the main electrode reaction and the specific capacitance given during the discharge increase (FIG. 2), the stability of the material and the preservation of the capacitance during cycling are improved, and the LIA power increases. In addition, the addition of Al 3+ effectively suppresses the degradation of capacity during the cycling of LIA, even at elevated temperatures. It should be noted that the introduction of aluminum in large quantities is undesirable, since with the increase in the aluminum content the formation of other phases is possible and, in addition, an increase in the particle size of the electrode material is observed, which affects the conductivity, reducing energy and power. The joint doping of lithium vanadium phosphate with Al + Mg promotes the formation of smaller crystals, which also favorably affects both the electrical conductivity of the electrode material and the electrochemical characteristics of the entire battery.
Введение добавки иттрия в количестве у не более 0,03 стабилизирует моноклинную структуру (α-фазу) Li3V2(PO4)3, отличающуюся большей стабильностью в ходе циклирования. Кроме того, частичное замещение ванадия иттрием способствует улучшению обратимости основной электродной реакции, снижению сопротивления переносу заряда и увеличению скорости переноса лития. В результате возрастает начальная удельная емкость электродного материала и ее сохранность в ходе циклирования, в том числе при повышенных температурах.The introduction of yttrium additives in an amount of no more than 0.03 stabilizes the monoclinic structure (α-phase) of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , which is more stable during cycling. In addition, partial vanadium substitution with yttrium improves the reversibility of the main electrode reaction, decreases the charge transfer resistance and increases the lithium transfer rate. As a result, the initial specific capacity of the electrode material increases and its safety during cycling, including at elevated temperatures.
Модифицирование Li3V2(PO4)3 лантаном в количестве y не более 0,02 вызывает увеличение объема элементарной ячейки в моноклинной структуре фосфата, облегчая миграцию ионов лития. Это приводит к уменьшению сопротивления переносу заряда и увеличению коэффициента диффузии лития. В результате увеличивается начальная удельная емкость при заряде и разряде, повышается кулоновская эффективность, замедляется процесс снижения емкости в ходе циклировнаия. Введение большего количества лантана нежелательно, т.к. с увеличением его содержания растет сопротивление переносу ионов Li+ по каналам внутри структуры фосфата, что ведет к снижению удельной емкости и кулоновской эффективности.Modification of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 with lanthanum in an amount of y not more than 0.02 causes an increase in the unit cell volume in the monoclinic phosphate structure, facilitating the migration of lithium ions. This leads to a decrease in resistance to charge transfer and an increase in the diffusion coefficient of lithium. As a result, the initial specific capacity increases during charge and discharge, the Coulomb efficiency increases, and the process of capacity decrease during cycling slows down. The introduction of more lanthanum is undesirable, because with an increase in its content, the resistance to the transfer of Li + ions along the channels inside the phosphate structure increases, which leads to a decrease in the specific capacity and Coulomb efficiency.
Частичное замещение фосфатных анионов (PO4)3- более электроотрицательными галогенид-ионами F- и Cl- в количестве z≤0.16 не изменяет моноклинную структуру Li3V2(PO4)3, но уменьшает энергию связей Li-О, что приводит к облегчению извлечения ионов лития. Кроме того, увеличивается однородность размеров кристаллов и уменьшается размер частиц, что способствует сокращению диффузионного пути для обратимо внедряющихся ионов Li+, увеличению площади контакта между электродом и электролитом и облегчению диффузии ионов лития вглубь электрода. При этом увеличивается кулоновская эффективность, уменьшается поляризация, снижается сопротивление переносу заряда и повышается ионная и электронная проводимость как на поверхности, так и внутри активного электродного материала. В результате возрастают разрядная емкость и структурная стабильность, что ведет к увеличению энергии, мощности и ресурса ЛИА (фиг.3).The partial substitution of phosphate anions (PO 4 ) by 3- more electronegative halide ions F - and Cl - in an amount of z≤0.16 does not change the monoclinic structure of Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , but reduces the energy of Li-O bonds, which leads to facilitate the extraction of lithium ions. In addition, the crystal size uniformity increases and particle size decreases, which helps to reduce the diffusion path for reversibly implanted Li + ions, increase the contact area between the electrode and electrolyte, and facilitate the diffusion of lithium ions deep into the electrode. In this case, the Coulomb efficiency increases, the polarization decreases, the charge transfer resistance decreases, and the ionic and electronic conductivity both on the surface and inside the active electrode material increase. As a result, the discharge capacity and structural stability increase, which leads to an increase in the LIA energy, power and resource (Fig. 3).
Таким образом, изобретение позволяет решить проблему разработки ЛИА с высокими значениями энергии, мощности и ресурса, работоспособных в широком интервале температур и нагрузочных токов. Предлагаемое изобретение является актуальным и позволяет создать накопители энергии для транспорта и энергетики на базе батарей литий-ионных аккумуляторов нового поколения.Thus, the invention allows to solve the problem of developing LIA with high values of energy, power and resource, operable in a wide range of temperatures and load currents. The present invention is relevant and allows you to create energy storage for transport and energy based on batteries of new generation lithium-ion batteries.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №4,302,518 от 24 ноября 1981 г. Электрохимический элемент с новыми быстрыми ионными проводниками.1. US patent No. 4,302,518 from November 24, 1981, an electrochemical cell with new fast ionic conductors.
2. Патент США №4,507,371 от 26 марта 1985 г. Твердотельный элемент, в котором анод, твердый электролит и катод имеют структуру, представляющую собой плотную кубическую упаковку.2. US Patent No. 4,507,371 dated March 26, 1985. A solid-state element in which the anode, solid electrolyte and cathode have a structure that is a dense cubic package.
3. Патент США №5,910,382 от 8 июня 1999 г. Катодные материалы для вторичных (перезаряжаемых) литиевых источников тока.3. US patent No. 5,910,382 of June 8, 1999. Cathode materials for secondary (rechargeable) lithium current sources.
4. Патент США №5,871,866 от 16 февраля 1999 г. Литийсодержащие фосфаты, способ их получения и область использования.4. US patent No. 5,871,866 of February 16, 1999. Lithium-containing phosphates, the method of production thereof and the field of use.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143757/04A RU2556011C2 (en) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | Cathode material for lithium ion batteries based on modified phosphates |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143757/04A RU2556011C2 (en) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | Cathode material for lithium ion batteries based on modified phosphates |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013143757A RU2013143757A (en) | 2015-04-10 |
RU2556011C2 true RU2556011C2 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53282306
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013143757/04A RU2556011C2 (en) | 2013-09-27 | 2013-09-27 | Cathode material for lithium ion batteries based on modified phosphates |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2556011C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2634306C2 (en) * | 2015-11-13 | 2017-10-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method for obtaining nanocomposition codes for lithium-ion batteries |
RU2638955C1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-12-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of producing nanocomposite powder cathode materials for lithium-ion batteries |
RU2701908C2 (en) * | 2017-12-25 | 2019-10-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН) | Method of producing carbon material |
RU2704186C1 (en) * | 2018-10-12 | 2019-10-24 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | METHOD OF PRODUCING CATHODE MATERIAL OF COMPOSITION Na3V2O2X(PO4)2F3-2X (where 0<X≤1) FOR Na-ION BATTERIES |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5871866A (en) * | 1996-09-23 | 1999-02-16 | Valence Technology, Inc. | Lithium-containing phosphates, method of preparation, and use thereof |
CN101290986A (en) * | 2007-04-18 | 2008-10-22 | 深圳市比克电池有限公司 | Preparing method of Li*V*(PO*)*/C positive pole and prepared positive pole material |
RU2488550C2 (en) * | 2008-10-22 | 2013-07-27 | ЭлДжи КЕМ, ЛТД. | Lithium-iron phosphate having olivine structure and method for production thereof |
-
2013
- 2013-09-27 RU RU2013143757/04A patent/RU2556011C2/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5871866A (en) * | 1996-09-23 | 1999-02-16 | Valence Technology, Inc. | Lithium-containing phosphates, method of preparation, and use thereof |
CN101290986A (en) * | 2007-04-18 | 2008-10-22 | 深圳市比克电池有限公司 | Preparing method of Li*V*(PO*)*/C positive pole and prepared positive pole material |
RU2488550C2 (en) * | 2008-10-22 | 2013-07-27 | ЭлДжи КЕМ, ЛТД. | Lithium-iron phosphate having olivine structure and method for production thereof |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
CHO A.R. et al, Carbon supported, Al doped-Li3V2(PO4)3 as a high rate cathode material for lithium-ion batteries, J. Mater. Chem., 2012, v. 22, p. 6556-6560. CHEN Q. et al, Electrochemical performance of Li3-xNaxV2(PO4)3/C composite cathode materials for lithium ion batteries, Journal of Power Sources, 2012, v. 201, p. 267-273. YAN J. et al, Synthesis and electrochemical performance of Li3V2(PO4)3-xClx/C cathode materials for lithium-ion batteries, Journal of Power Sources, 2012, v. 209, p. 251-256. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2634306C2 (en) * | 2015-11-13 | 2017-10-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method for obtaining nanocomposition codes for lithium-ion batteries |
RU2638955C1 (en) * | 2016-12-15 | 2017-12-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of producing nanocomposite powder cathode materials for lithium-ion batteries |
RU2701908C2 (en) * | 2017-12-25 | 2019-10-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН) | Method of producing carbon material |
RU2704186C1 (en) * | 2018-10-12 | 2019-10-24 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | METHOD OF PRODUCING CATHODE MATERIAL OF COMPOSITION Na3V2O2X(PO4)2F3-2X (where 0<X≤1) FOR Na-ION BATTERIES |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013143757A (en) | 2015-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wang et al. | Li-free cathode materials for high energy density lithium batteries | |
Daniel et al. | Cathode materials review | |
Zeng et al. | Kinetic study of parasitic reactions in lithium-ion batteries: a case study on LiNi0. 6Mn0. 2Co0. 2O2 | |
Nisar et al. | Sodium intercalation/de-intercalation mechanism in Na4MnV (PO4) 3 cathode materials | |
Goodenough | Rechargeable batteries: challenges old and new | |
Barghamadi et al. | A review on Li-S batteries as a high efficiency rechargeable lithium battery | |
Goodenough et al. | Challenges for rechargeable batteries | |
US9083062B2 (en) | Battery packs for vehicles and high capacity pouch secondary batteries for incorporation into compact battery packs | |
Sun et al. | (LiNi0. 5Co0. 2Mn0. 3O2+ AC)/graphite hybrid energy storage device with high specific energy and high rate capability | |
JP5099168B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP7188922B2 (en) | Aqueous electrolyte containing protic ionic liquid and battery using said electrolyte | |
He et al. | SmPO4-coated Li1. 2Mn0. 54Ni0. 13Co0. 13O2 as a cathode material with enhanced cycling stability for lithium ion batteries | |
CN102160215A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
JP2013178935A (en) | Lithium-ion secondary battery, and battery pack and power storage device using the same | |
KR20100106242A (en) | Nonaqueous secondary battery | |
JP7375222B2 (en) | Positive electrode active materials, lithium ion secondary batteries, battery modules, battery packs and electrical devices | |
JP2000260423A (en) | Electrode | |
RU2556011C2 (en) | Cathode material for lithium ion batteries based on modified phosphates | |
CN105470473A (en) | Positive electrode active material and secondary battery | |
JP5279567B2 (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
JP2009295533A (en) | Positive electrode active material for lithium secondary battery, and lithium secondary battery | |
JP2023549974A (en) | Electrolyte, secondary battery containing the same, and method for manufacturing this secondary battery | |
Zheng et al. | Pre-lithiation strategies and energy density theory of lithium-ion and beyond lithium-ion batteries | |
WO2016178596A1 (en) | Lithium-ion cell | |
JP5544981B2 (en) | Method for producing electrode active material |