Overview of oxide electrode materials for lithium–ion batteries

М.Ш.  Дюсембаев; С.B.  Юлусов; А.Т.  Хабиев; С.  Дилибал

doi:10.51301/ejsu.2025.i3.02

Авторы

М.Ш. Дюсембаев Казахстанско-Британский технический университет, Казахстан
С.B. Юлусов Институт механики и машиноведения имени академика У.А. Джолдасбекова, Казахстан
А.Т. Хабиев Институт механики и машиноведения имени академика У.А. Джолдасбекова, Казахстан
С. Дилибал Стамбульский Гедик университет, Турция

DOI:

https://doi.org/10.51301/ejsu.2025.i3.02

Ключевые слова:

литий-ионные аккумуляторы, катодные материалы, обогащенные литием оксиды, Lerich оксиды

Аннотация

В статье рассматриваются перспективы развития литий-ионных аккумуляторов с акцентом на литий-обогащённые оксиды переходных металлов, используемых в качестве катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Основное внимание уделяется материалам с формулой xLi₂MnO₃⋅(1−x)LiMO₂ (где M=Mn, Ni, Co), которые демонстрируют высокую разрядную ёмкость (более 250 мА·ч/г) и удельную энергию (свыше 950 Вт·ч/кг), превосходя традиционные катодные материалы, такие как LiCoO₂, LiMn₂O₄ и LiFePO₄. Эти оксиды сочетают в себе моноклинную фазу Li₂MnO₃ и тригональную фазу LiMO₂, что обеспечивает их высокую производительность. днако авторы отмечают ряд проблем, включая низкие скоростные характеристики, необратимую ёмкость первого цикла и деградацию напряжения и ёмкости при циклировании. Эти недостатки связаны с образованием шпинелеподобных структур, побочными реакциями на границе с электролитом и выделением кислорода. Для улучшения характеристик предлагаются методы модификации, такие как защитные покрытия, легирование и создание композитных структур. В статья также включен обзор других распространённых катодных материалов, таких как LiCoO₂, LiMn₂O₄, LiNiO₂ и их комбинации, подчёркивая их преимущества и ограничения. Особое внимание уделяется перспективным материалам, включая LiNi1/3Co1/3Mn1/3O₂ и LiFePO₄, которые обладают сбалансированными электрохимическими и экономическими свойствами. Также было подчёркнута необходимость дальнейших исследований для понимания механизмов деградации и оптимизации структуры литий-обогащённых оксидов. Решение этих задач может способствовать разработке высокоэффективных и стабильных катодных материалов для ЛИА, что важно для развития электромобильности и других энергоёмких технологий.

Библиографические ссылки

Xiao, B. & Sun, X. (2018). Surface and subsurface reactions of lithium transition metal oxide cathode materials: An over-view of the fundamental origins and remedying approaches. Advanced Energy Materials, 8(29), 1802057. https://doi.org/10.1002/aenm.201802057

Kirchartz, T., Márquez, J. A., Stolterfoht, M. & Unold, T. (2020). Photoluminescence‐based characterization of Halide perovskites for photovoltaics. Advanced Energy Materials, 10(26), 1904134. https://doi.org/10.1002/aenm.201904134

Wang, J., Wang, Y., Seo, D.-H., Shi, T., Chen, S., Tian, Y., & Ceder, G. (2020). A high‐energy NASICON‐type cathode material for Na‐ion batteries. Advanced Energy Materi-als, 10(10), 1903968. https://doi.org/10.1002/aenm.201903968

Kim, J., Lee, H., Cha, H., Yoon, M., Park, M. & Cho, J. (2018). Prospect and reality of Ni-rich cathode for commer-cialization. Advanced Energy Materials, 8(6), 1702028. https://doi.org/10.1002/aenm.201702028

Wu, J.-F., Wang, Q. & Guo, X. (2018). Sodium-ion conduc-tion in Na2Zn2TeO6 solid electrolytes. Journal of Power Sources, 402, 513-518. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.09.048

Gam-Derouich, S., Pinson, J., Lamouri, A., Decorse, P., Bellynck, S., Herbaut, R., & Mangeney, C. (2018). Micro-patterned anti-icing coatings with dual hydropho-bic/hydrophilic properties. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 6(40), 19353-19357. https://doi.org/10.1039/c8ta06944a

Hannah, D.C., Sai Gautam, G., Canepa, P. & Ceder, G. (2018). On the balance of intercalation and conversion reac-tions in battery cathodes. Advanced Energy Materials, 8(20), 1800379. https://doi.org/10.1002/aenm.201800379

Sun, Q., Xi, B., Li, J.-Y., Mao, H., Ma, X., Liang, J., & Xiong, S. (2018). Nitrogen-doped graphene-supported mixed transition-metal oxide porous particles to confine polysul-fides for lithium-sulfur batteries. Advanced Energy Materi-als, 8(22), 1800595. https://doi.org/10.1002/aenm.201800595

Yu, X., Zhang, C., Luo, Z., Zhang, T., Liu, J., Li, J., Zuo, Y., Biendicho, J.J., Llorca, J., Arbiol, J., Morante, J.R., & Cabot, A. (2019). A low tem-perature solid state reaction to produce hollow MnxFe3-xO4 nanoparti-cles as anode for lithium-ion batteries. Nano Energy, 66, 104199. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104199

Li, Y.B., Li, T., Dai, X.C., Huang, M.H., Hou, S., Fu, X.Y., Wei, Z.Q., He, Y., Xiao, G., & Xiao, F.X. (2020). Precise tuning of coordination positions for transition-metal ions via layer-by-layer assembly to enhance solar hydrogen produc-tion. ACS Applied Materials & Interfaces, 12(4), 4373-4384. https://doi.org/10.1021/acsami.9b14543

Goodenough, J.B., & Singh, P. (2015). Review – solid elec-trolytes in rechargeable electrochemical cells. Journal of the Electrochemical Society, 162(14), A2387-A2392. https://doi.org/10.1149/2.0021514jes

Shin, J.A., Jin, E.M., Na, B.K., Gu, H.B., Wang, W.L. & Jeong, S.M. (2016). Facile preparation and electrochemical properties of carbon-enfolded sulfur particles for Li-S bat-tery application. Journal of the Electrochemical Society, 163(2), A57-A61. https://doi.org/10.1149/2.0031602jes

Huang, B., Pan, Z., Su, X. & An, L. (2018). Recycling of lithium-ion batteries: Recent advances and perspectives. Journal of Power Sources, 399, 274-286. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116

Braga, M.H., Grundish, N.S., Murchison, A.J. & Goode-nough, J.B. (2017). Alternative strategy for a safe rechargea-ble battery. Energy & Environmental Science, 10(1), 331-336. https://doi.org/10.1039/c6ee02888h

Ulvestad, A., Mæhlen, J.P., & Kirkengen, M. (2018). Silicon nitride as anode material for Li-ion batteries: Understanding the SiNx conversion reaction. Journal of Power Sources, 399, 414-421. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.109

Huang, B., Pan, Z., Su, X., & An, L. (2018). Recycling of lithium-ion batteries: Recent advances and perspectives. Journal of Power Sources, 399, 274-286. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116

Yang, W. & Devereaux, T.P. (2018). Anionic and cationic redox and interfaces in batteries: Advances from soft X-ray absorption spectrosco-py to resonant inelastic scattering. Journal of Power Sources, 389, 188-197. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.04.018

Liu, J., Zhang, C., Guo, S., Xu, L., Xiao, S. & Shen, Z. (2019). Microwave treatment of pre-oxidized fibers for im-proving their structure and mechanical properties. Ceramics International, 45(1), 1379-1384. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.08.311

Ming, F., Liang, H., Lei, Y., Zhang, W. & Alshareef, H. N. (2018). Solution synthesis of VSe2 nanosheets and their al-kali metal ion storage performance. Nano Energy, 53, 11-16. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.08.035

Le Mong, A. & Kim, D. (2019). Solid electrolyte membranes prepared from poly(arylene ether ketone)-g-polyimidazolium copolymer intergrated with ionic liquid for lithium secondary battery. Journal of Power Sources, 422, 57-64. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.03.038

Che, H., Liu, C., Che, G., Liao, G., Dong, H., Li, C., Li, C. (2020). Facile construction of porous intramolecular g-C3N4-based donor-acceptor conjugated copolymers as highly effi-cient photocatalysts for superior H2 evolution. Nano Energy, 67, 104273. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104273

Liu, S., Rasinski, M., Rahim, Y., Zhang, S., Wippermann, K., Reimer, U. & Lehnert, W. (2019). Influence of operating conditions on the degradation mechanism in high-temperature polymer electrolyte fuel cells. Journal of Power Sources, 439, 227090. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227090

Dong, L., Zhang, L., Lin, S., Chen, Z., Wang, Y., Zhao, X., Wu, T., Zhang, J., Liu, W., Lu, H., & Loh, K. P. (2020). Building vertically-structured, high-performance electrodes by interlayer-confined reactions in accordion-like, chemical-ly expanded graphite. Nano Energy, 70, 104482. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104482

Billo, T., Shown, I., Anbalagan, A. K., Effendi, T.A., Sab-bah, A., Fu, F.Y., Chu, C.M., Woon, W.Y., Chen, R.S., Lee, C.H., Chen, K.H., & Chen, L.C. (2020). A mechanistic study of molecular CO2 interaction and adsorption on carbon im-planted SnS2 thin film for photocatalytic CO2 reduction ac-tivity. Nano Energy, 72, 104717. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104717

Hu, X., Jiang, Z., Yan, L., Yang, G., Xie, J., Liu, S., Zhang, Q., Xiang, Y., Min, H., & Peng, X. (2020). Real-time visual-ized battery health monitoring sensor with piezoelec-tric/pyroelectric poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) and thin film transistor array by in-situ poling. Journal of Power Sources, 467, 228367. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228367

Rao, K.K., Lai, Y., Zhou, L., Haber, J.A., Bajdich, M., & Gregoire, J.M. (2022). Overcoming hurdles in oxygen evolu-tion catalyst discovery via codesign. Chemistry of Materials: A Publication of the American Chemical Society, 34(3), 899-910. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c04120