LiFePO4 катодты материалдарын ауқымды синтездеуге арналған арнайы ультрадыбыстық спрей-пиролиз қондырғысы

Авторлар

  • В. Волобуева National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д., 53, Астана, Қазақстан
  • Ж. Шалабаев National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д., 53, Астана, Қазақстан
  • Э. Нургазиева National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д., 53, Астана, Қазақстан
  • Ф. Султанов National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д., 53, Астана, Қазақстан
  • Б. Татыкаев National Laboratory Astana, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д., 53, Астана, Қазақстан
  • А. Ментбаева Химиялық инженерия және материалтану кафедрасы, Инженерлік және цифрлық ғылымдар мектебі,, Назарбаев университеті, Қабанбай батыр д., 53, Астана, Қазақстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc23(3)287-297

Кілт сөздер:

литий темір фосфаты (LiFePO4), катодты материалдар, ультрадыбыстық спрей-пиролиз, алты аймақты пеш, морфологияны бақылау, литий-ионды аккумуляторлар

Аңдатпа

Литий темір фосфаты (LiFePO4) литий-ионды аккумуляторлар үшін болашағы зор катодты материал болып табылады, себебі ол қауіпсіз, ұзақ циклді қызмет етеді және экологиялық тұрғыдан үйлесімді. Дегенмен, оның жұмыс сипаттамалары синтез әдісіне тікелей тәуелді. Бұл жұмыста біз алты аймақты (100-800 °C) жеке басқарылатын пешпен және қыздырылатын электростатикалық тұндырғышпен жабдықталған арнайы жобаланған ультрадыбыстық спрей-пиролиз қондырғысын ұсынамыз. Дәстүрлі бір аймақты УСП қондырғыларымен салыстырғанда, бұл құрылғы «тамшы-бөлшек» түрленуін кезең-кезеңімен іске асырады, қуысты морфологияның түзілуін азайтады және прекурсор бөлшектерінің біртектілігін арттырады. 400-600 °C диапазонында алынған LiFePO4/C ұнтақтары бастапқы (шашыратылған) күйде әлсіз кристалды немесе жартылай аморфты құрылымға ие болды, ол аргон атмосферасында 600 °C температурада 3 с бойы күйдіруден кейін фазалық таза оливин LiFePO4-ке айналды. СЭМ зерттеулері көрсеткендей, УСП арқылы тікелей алынған бастапқы бөлшектер сферикалық, субмикронды (~200 нм-1 мкм) және тегіс беткейлі болып табылады, ал кейінгі күйдіруден кейін морфология сақталғанымен, беткей құрылымы іріленіп, қуыстар пайда болды. Мұндай микроструктуралық өзгерістер тығыздық пен Li+ иондарының тасымал жолдары арасында теңгерім қалыптастырады, бұл бұрынғы УСП арқылы алынған LiFePO4/C деректерімен сәйкес келеді. Екі фазалы саптама және жалын шашыратқыш пиролиз жүйелерімен салыстырмалы талдау біздің қондырғымыздағы градиент термиялық бақылау мен электростатикалық тұндыру үйлесімі алынған ұнтақтардың сапасын жақсартатынын және зертханалық дәлдік пен әлеуетті масштабтаудың перспективті комбинациясын қамтамасыз ететінін көрсетеді. Бұл нәтижелер арнайы жасалған УСП әдісінің морфологиясы мен кристалдық құрылымы бақыланатын жоғары сапалы LiFePO4/C катодты ұнтақтарын алуға тиімді әрі икемді платформа екенін дәлелдейді.

Әдебиеттер тізімі

(1) T. Chen, M. Li, J. Bae. Recent advances in lithium iron phosphate battery technology: a comprehensive review, Batteries 10 (2024) 424. Crossref

(2) Z. Ahsan, B. Ding, Z. Cai, et al. Recent progress in capacity enhancement of LiFePO4 cathode for Li-ion batteries, J. Electrochem. Energy Convers. Storage 18 (2021) 010801. Crossref

(3) A.K. Koech, G. Mwandila, F. Mulolani, et al. Lithium-ion battery fundamentals and exploration of cathode materials: A review, S. Afr. J. Chem. Eng. 50 (2024) 321–339. Crossref

(4) H. Erabhoina, M. Thelakkat. Tuning of composition and morphology of LiFePO4 cathode for applications in all solid-state lithium metal batteries, Sci. Rep. 12 (2022) 5454. Crossref

(5) E. Logan, A. Eldesoky, Y. Liu, et al. The effect of LiFePO4 particle size and surface area on the performance of LiFePO4/graphite cells, J. Electrochem. Soc. 169 (2022) 050524. Crossref

(6) A.K. Padhi, K.S. Nanjundaswamy, J.B. Goodenough. Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries, J. Electrochem. Soc. 144 (1997) 1188. Crossref

(7) S.Y. Chung, J.T. Bloking, Y.M. Chiang. Electronically conductive phospho-olivines as lithium storage electrodes, Nat. Mater. 1 (2002) 123–128. Crossref

(8) J. Chen, M.S. Whittingham. Hydrothermal synthesis of lithium iron phosphate, Electrochem. Commun. 8 (2006) 855–858. Crossref

(9) M.A. Alsamet, E. Burgaz. Synthesis and characterization of nano-sized LiFePO4 by using consecutive combination of sol-gel and hydrothermal methods, Electrochim. Acta 367 (2021) 137530. Crossref

(10) Y. Zhu, S.H. Choi, X. Fan, et al. Recent progress on spray pyrolysis for high performance electrode materials in lithium and sodium rechargeable batteries, Adv. Energy Mater. 7 (2017) 1601578. Crossref

(11) M.R. Yang, T.H. Teng, S.H. Wu. LiFePO4/carbon cathode materials prepared by ultrasonic spray pyrolysis, J. Power Sources 159 (2006) 307–311. Crossref

(12) M. Konarova, I. Taniguchi. Preparation of LiFePO4/C composite powders by ultrasonic spray pyrolysis followed by heat treatment and their electrochemical properties, Mater. Res. Bull. 43 (2008) 3305–3317. Crossref

(13) N. Hamid, S. Wennig, S. Hardt, et al. High-capacity cathodes for lithium-ion batteries from nanostructured LiFePO4 synthesized by highly-flexible and scalable flame spray pyrolysis, J. Power Sources 216 (2012) 76–83. Crossref

(14) A. Halim, H. Setyawan, S. Machmudah, et al. Effect of fuel rate and annealing process of LiFePO4 cathode material for Li-ion batteries synthesized by flame spray pyrolysis method, AIP Conf. Proc. 1586 (2014) 173–178. Crossref

(15) J. Wang, X. Sun. Understanding and recent development of carbon coating on LiFePO4 cathode materials for lithium-ion batteries, Energy Environ. Sci. 5 (2012) 5163–5185. Crossref

(16) D. Jugović, N. Cvjetićanin, M. Mitrić, et al. Comparison between different LiFePO4 synthesis routes, Mater. Sci. Forum 555 (2007) 225–230. Crossref

(17) L. Gómez, I. de Meatza, M. Martín, et al. Morphological, structural and electrochemical properties of lithium iron phosphates synthesized by spray pyrolysis, Electrochim. Acta 55 (2010) 2805–2809. Crossref

(18) S. Akao, M. Yamada, T. Kodera, et al. Mass production of LiFePO4/C powders by large type spray pyrolysis apparatus and its application to cathode for lithium ion battery, Int. J. Chem. Eng. 2010 (2010) 175914. Crossref

(19) R. Kashi, M. Khosravi, M. Mollazadeh. Effect of carbon precursor on electrochemical performance of LiFePO4-C nano composite synthesized by ultrasonic spray pyrolysis as cathode active material for Li ion battery, Mater. Chem. Phys. 203 (2018) 319–332. Crossref

(20) T. Nakamura, T. Kodera, R. Minami, et al. Synthesis of carbons added LiFePO4 powders by two-fluid nozzle spray pyrolysis and measurement the charge-discharge properties, Key Eng. Mater. 582 (2014) 123–126. Crossref

Жүктеулер

Жарияланды

2025-10-17

Журналдың саны

Бөлім

Статьи

Дәйексөзді қалай келтіруге болады

Волобуева, В., Шалабаев, Ж., Нургазиева, Э., Султанов, Ф., Татыкаев, Б., & Ментбаева, А. (2025). LiFePO4 катодты материалдарын ауқымды синтездеуге арналған арнайы ультрадыбыстық спрей-пиролиз қондырғысы. Горение и плазмохимия, 23(3), 287-297. https://doi.org/10.18321/cpc23(3)287-297