31170

سنتز ماده كاتدي نيكل، منگنز، آلومينيوم اكسايد (LiNi9Mn0.5Al0.5O2) و آلاييدن آن با فلز واناديوم جهت استفاده در باتري‌هاي ليتيوم-يون

كارشناسي ارشد

شيمي- شيمي تجزيه

1400

1403/4/24

علي غفاري نژاد

/

شيمي

تجاري‌سازي بيشتر كاتدهاي لايه‌اي غني از نيكل بدون كبالت در باتري‌هاي ليتيوم يوني (LIBs) پيشرفته، به شدت تحت تاثير نظم‌دهي ضعيف ساختاري و توانايي شارژ/دشارژ آن‌ها قرار گرفته است. به همين دليل پژوهش‌گران از روش‌هاي مختلفي مانند، دوپينگ ، اصلاح سطح ، بهينه‌سازي دماي سنتز ، جايگزيني عنصر، الكترودهاي كامپوزيت استفاده كردند تا معايب اين كاتد‌ها به حداقل مقدار برسد. تاكنون بسياري از مواد دوپينگ منفرد مانند Al، Ti، Zr، Mg، Mo، Nb و Sn به جهت بهبود عملكرد الكتروشيميايي اين مواد مورد بررسي قرار گرفته‌اند. واناديوم نيز به عنوان يكي از ناخالصي‌ها به‌دليل اين كه مي‌تواند ظرفيت‌هاي مختلفي داشته باشد كه منجر به افزايش ضريب انتشار يون ليتيوم شود و نيز به علت شعاع اتمي زياد در نتيجه پيوند قوي با اكسيژن در ساختار، كه مي‌تواند سبب پايداري بلور شود، مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به ويژگي‌هاي فوق، انتظار مي‌رود اين عنصر ظرفيت ويژه، راندمان كولني ، چرخه پذيري و قابليت نرخ را به طور قابل توجهي بهبود بخشد. در ابتدا ماده كاتدي LiNi0.9Mn0.5Al0.5O2 سنتز و سپس با V5+ به نسبت مولي 05/0 آلاييده شد. طبق نتايج حاصل از پراش پرتوايكس، پس از دوپينگ، تغيير زيادي در زواياي قله‌ها مشاهده شد. اين تغييرات ورود V5+ را به درون ساختار تاييد مي‌كند. همچنين به طور همزمان از اختلاط Ni2+/Li+ جلوگيري مي‌شود و اين امر منجر به بهبود قابليت انتقال يون ليتيم نيز مي‌گردد. مهمتر اينكه، به‌صورت هم‌افزا لغزش لايه‌هاي فلزات واسطه (TM) در حين شارژ عميق به دليل اتصال V5+ در لايه TM به طور موثر مهار مي‌شود كه به طور قابل توجهي باعث كاهش تغييرات فاز H2-H3 نشان داده شده توسط آزمايشCV و امكان مهار موانع جنبشي در ولتاژهاي بالا 2/4 ولت را همراه با حذف ترك خوردگي ذرات در طول چرخه هاي طولاني را فراهم مي‌كند در نتيجه، كاتد NMA-V طراحي شده،ظرفيت دشارژ 7/142 ميلي آمپر ساعت بر گرم و بازده كولني 2/94% پس از 50 چرخه نشان داد. اين كار يك برنامه‌‌ريزي آينده نگر براي طراحي كاتدهاي بدون كبالت، غني از نيكل، كم هزينه و با عملكرد بالا براي نسل بعدي باتري هاي ليتيوم-يوني پيشرفته ارائه مي دهد.

1403/06/23

Synthesis of (LiNi9Mn0.5Al0.5O2) cathode material and its doping with vanadium (V) metal for use in lithium-ion batteries

7/15/2025 12:00:00 AM

The widespread commercialization of cobalt-free nickel-rich layered cathodes in advanced lithium-ion batteries (LIBs) has been severely hindered by their poor structural ordering and electrochemical performance. To address these limitations, researchers have employed various strategies, including doping, surface modification, synthesis temperature optimization, element substitution, and composite electrodes. Numerous single dopants, such as Al, Ti, Zr, Mg, Mo, Nb [1], and Sn [2], have been investigated to enhance the electrochemical performance of these materials. Vanadium has also gained attention as a dopant due to its unique properties: (1) multiple oxidation states that can increase the lithium-ion diffusion coefficient and (2) a large atomic radius that facilitates strong oxygen bonding in the structure, enhancing crystal stability. These characteristics are expected to significantly improve capacity, Coulombic efficiency, cyclability, and rate capability. In this study, LiNi0.9Mn0.5Al0.5 was synthesized as the base cathode material and then doped with V5+. XRD results revealed significant peak shifts following doping, confirming the incorporation of V5+ into the structure. This doping also effectively prevented Ni2+/Li+ mixing, leading to improved lithium-ion transport. Moreover, the co-operative movement of transition metal (TM) layers during deep discharge was effectively suppressed due to the V5+ linkage in the TM layer. This resulted in a significant reduction in the H2-H3 phase transition as observed by CV measurements, enabling the suppression of kinetic barriers at high voltages (above 4.2 V) and eliminating particle cracking during extended cycling. Consequently, the designed NMA-V cathode exhibited a Coulombic efficiency of 94.21% after 50 cycles. This work provides a promising strategy for designing high-performance, low-cost, cobalt-free, nickel-rich cathodes for next-generation advanced LIBs.

باتري ليتيوم-يون , كاتد اكسيد لايه‌اي غني از نيكل , واناديوم اكسايد

li-ion battery , high nickel layered oxide cathode , Vanadium oxide

Alireza Taefe

Dr. Ali Ghaffarinezhad