33370

برسي اثر افزودني¬هاي كاتيوني بر عملكرد الكتروشيميايي كاتد Li3V2(PO4)3 سنتز شده به روش احتراق محلولي جهت كاربرد در باتري هاي ليتيوم يون

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي

1401

1404/02/14

مسعود هاشمي نياسري

سيد مرتضي مسعودپناه

مهندسي مواد و متالورژي

ليتيوم واناديم فسفات Li₃V₂(PO₄)₃ يا به‌اختصار (LVP) به دليل ظرفيت تئوري و ولتاژ عملياتي بالا به‌عنوان يك ماده كاتدي بالقوه براي باتري‌هاي ليتيوم - يون (LIBs) مورد توجه قرار گرفته است. بااين‌حال، هدايت الكتروني پايين اين كاتد منجر به‌كندي فرايندهاي شارژ و دشارژ مي‌شود كه در نهايت موجب كاهش ظرفيت در چگالي جريان‌هاي بالا و عملكرد نامطلوب آن مي‌گردد كه مي¬تواند كاربرد اين كاتد در باتري‌هاي ليتيوم - يون را محدود سازد. در اين پژوهش، براي حل مشكلات كاتد Li₃V₂(PO₄)₃، روش سنتز احتراق محلولي جهت آلايش اين ماده كاتدي توسط يون‌هاي Sr2+ و Ca2+ به كار گرفته شد. ابتداي امر جهت دستيابي به نمونه اوليه قبل از آلايش، ذرات Li₃V₂(PO₄)₃ با دو نسبت سوخت به اكسنده 5/0 و 1 سنتز شدند و باتوجه‌به عملكرد مناسب نمونه سنتز شده با نسبت سوخت به اكسنده 1 اين كاتد به‌عنوان كاتد مورد نظر جهت آلايش انتخاب شد. در ادامه، كاتدهاي (Li₃V2-xCax(PO₄)₃) (LVCaP/C) و (Li3V2-xSrx(PO₄)₃) (LVSrP/C) از طريق جاي‌گذاري يون‌هاي Ca+2 و Sr+2 در شبكه كريستالي LVP/C جهت ذخيره‌سازي كارآمد و پايدار يون‌هاي ليتيوم سنتز شد. ورود يون‌هاي Ca+2 و Sr+2 به درون شبكه كريستالي تأثير چشمگيري در پايداري ساختار كريستالي داشت و همچنين هدايت يوني و الكتروني را بهبود بخشيد. تجزيه‌وتحليل آزمون XRD نشان داد كه استفاده از مقدار مناسب آلاينده‌هاي كلسيم و استرانسيم هيچ تغييري در ساختار كريستالي LVP/C ايجاد نكرده است. همچنين نتايج آزمون XPS آلايش موفق كلسيم و استرانسيم را درون ساختار كاتد LVP/Cتأييد كردند. نمونه Li₃V₁.₉₇Ca₀.₀₃(PO₄)₃ ظرفيت تخليه ويژه قابل‌توجهي برابر با 124 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم در بازه ولتاژي 3٫0 تا 4٫3 ولت در مقابل Li+/Li و 158 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم در بازه ولتاژي3٫0 تا 4٫8 ولت در مقابل Li+/Li نشان داد. همچنين اين نمونه پس از 5000 چرخه در چگالي جريان C10 در محدوده ولتاژي 3٫0 تا 4٫8 ولت، % 62/96 ظرفيت اوليه خود را حفظ كرد. افزون بر اين، نمونه Li₃V₁.₉₇Sr₀.₀₃(PO₄)₃ نيز بهبود چشمگيري در ظرفيت اوليه، نرخ‌پذيري و پايداري چرخه‌اي نشان داد. اين ماده آلايش‌يافته با Sr2+ ظرفيت تخليه ويژه‌اي برابر با 116٫8 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم در بازه 3٫0 تا 4٫3 ولت در مقابل Li+/Li و 154 ميلي‌آمپر ساعت بر گرم در بازه 3٫0 تا 4٫8 ولت در مقابل Li+/Li را نشان داد و پس از 5000 چرخه در چگالي جريان C 10 در محدوده ولتاژي 3٫0 تا 4٫8 ولت، % 66/91 از ظرفيت اوليه خود را حفظ نمود. آلايش با يون‌هاي Ca²+ و Sr²+ يك راهبرد كارآمد براي توسعه باتري‌هاي ليتيوم - يون با عملكرد بالا و پايداري چرخه‌اي بهبوديافته محسوب مي‌شود.

1404/02/18

Investigation of the Effect of Cationic dopants on the Electrochemical Performance of Li₃V₂(PO₄)₃ Cathode Synthesized via the Solution Combustion Method For Use In Li-ion Batteries

1/1/1900 12:00:00 AM

Lithium vanadium phosphate Li₃V₂(PO₄)₃, abbreviated as (LVP) has attracted considerable attention as a potential cathode material for lithium-ion batteries (LIBs) due to its high theoretical capacity and elevated operating voltage. However, the inherently low electrical conductivity of this cathode leads to sluggish charge and discharge kinetics, ultimately resulting in capacity degradation at high current densities and poor electrochemical performance, which may limit its practical application in lithium-ion batteries. In this investigation, a solution combustion synthesis technique was utilized to produce Ca2+ and Sr2+-doped Li₃V₂(PO₄)₃, thereby addressing its inherent limitations. Initially, Li₃V₂(PO₄)₃ particles were synthesized using two different fuel-to-oxidant ratios, specifically 0.5 and 1, to procure the undoped precursor material. Based on the superior electrochemical performance observed in the sample synthesized with a fuel-to-oxidant ratio of 1, this composition was designated as the reference cathode for subsequent doping investigations. Following this, the (Li₃V₂-ₓCaₓ(PO₄)₃) (LVCaP/C) and (Li₃V₂-ₓSrₓ(PO₄)₃) (LVSrP/C) cathodes were synthesized by introducing Ca²⁺ and Sr²⁺ ions into the crystal lattice of Li₃V₂(PO₄)₃. This approach aimed to enhance lithium-ion storage efficiency and long-term stability. The incorporation of Ca²⁺ and Sr²⁺ ions into the crystalline structure provided a significant improvement in structural stability, while concurrently enhancing both ionic and electronic conductivity. X-ray diffraction (XRD) analysis substantiated that the introduction of appropriate concentrations of Ca²⁺ and Sr²⁺ dopants did not lead to any structural phase transitions in Li₃V₂(PO₄)₃. Moreover, the results obtained from X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) further confirmed the successful doping of calcium and strontium into the Li₃V₂(PO₄)₃ lattice structure. The Li₃V₁.₉₇Ca₀.₀₃(PO₄)₃ cathode demonstrated a remarkable discharge capacity of 124 mAh g⁻¹ within the voltage range of 3.0–4.3 V vs. Li⁺/Li and 158 mAh g⁻¹ within the extended range of 3.0–4.8 V vs. Li⁺/Li. Additionally, this specific composition exhibited exceptional long-term stability, retaining 96.62% of its initial capacity after 5000 cycles at a current density of 10 C within the 3.0–4.8 V range vs. Li⁺/Li. Moreover, the Li₃V₁.₉₇Sr₀.₀₃(PO₄)₃ cathode exhibited remarkable improvements in initial discharge capacity, rate capability, and cycling stability. The Sr²⁺-doped material delivered a discharge capacity of 116.8 mAh g⁻¹ within 3.0–4.3 V vs. Li⁺/Li and 154 mAh g⁻¹ within 3.0–4.8 V vs. Li⁺/Li, maintaining 91.66% of its initial capacity after 5000 cycles at a current density of 10 C within 3.0–4.8 V vs. Li⁺/Li. These findings suggest that doping Li₃V₂(PO₄)₃ with Ca²⁺ and Sr²⁺ ions is an effective strategy for developing high-performance lithium-ion batteries with enhanced rate capability and improved cycling stability.

Li₃V₂(PO₄)₃ , آلاينده Ca2+ , آلاينده Sr2+ , چرخه‌پذيري , نرخ‌پذيري , هدايت الكتروني

Li₃V₂(PO₄)₃ , Ca2+ dopant , Sr2+ dopant , cycling stability , rate capability , electrical conductivity

mohammad tahernejad javazm

masoud hasheminiasari