Boron-Doped LiCoPO4 as a High-Voltage Cathode for Lithium-Ion Batteries

A. Abilkhan; V. Volobuyeva; S. Tugelbay; D. Batyrbekuly; F. Sultanov; N. Umirov; B. Tatykayev

doi:10.18321/cpc24(1)1-7

Авторы

А. Абильхан Лаборатория систем хранения энергии, Национальная лаборатория Астана, Университет Назарбаева, пр. Кабанбай Батыра, 53, Астана, Казахстан
В. Волобуева Лаборатория систем хранения энергии, Национальная лаборатория Астана, Университет Назарбаева, пр. Кабанбай Батыра, 53, Астана, Казахстан; Институт новых энергетических технологий и материалов, пр. Кабанбай батыра, 53, Астана, Казахстан
С. Тугельбай Лаборатория систем хранения энергии, Национальная лаборатория Астана, Университет Назарбаева, пр. Кабанбай Батыра, 53, Астана, Казахстан
Д. Батырбекулы Лаборатория систем хранения энергии, Национальная лаборатория Астана, Университет Назарбаева, пр. Кабанбай Батыра, 53, Астана, Казахстан
Ф. Султанов Лаборатория систем хранения энергии, Национальная лаборатория Астана, Университет Назарбаева, пр. Кабанбай Батыра, 53, Астана, Казахстан
Н. Умиров Лаборатория систем хранения энергии, Национальная лаборатория Астана, Университет Назарбаева, пр. Кабанбай Батыра, 53, Астана, Казахстан
Б. Татыкаев Лаборатория систем хранения энергии, Национальная лаборатория Астана, Университет Назарбаева, пр. Кабанбай Батыра, 53, Астана, Казахстан; Институт новых энергетических технологий и материалов, пр. Кабанбай батыра, 53, Астана, Казахстан

DOI:

https://doi.org/10.18321/cpc24(1)1-7

Ключевые слова:

LiCoPO4, легирование бором, высоковольтные катодные материалы, литий-ионные аккумуляторы

Аннотация

Целью данной работы является исследование влияния легирования бором на катодный материал LiCoPO₄ (LCP) с акцентом на проводимость и межфазные процессы. Исходный и легированный бором LCP синтезированы двухстадийным твердофазным методом. Методы рентгенофазового анализа и электронной микроскопии подтвердили фазовую чистоту, искажение кристаллической решетки и уменьшение размера частиц в легированном образце. Электрохимическая импедансная спектроскопия показала улучшение диффузии литий-ионов, повышение кулоновской эффективности (до ~75% по сравнению с ~65%) и умеренное сохранение емкости для легированного образца (~60 мА·ч·г^-1 после 20 циклов) по сравнению с исходным LCP. Полученные результаты показывают, что легирование бором эффективно повышает проводимость и снижает межфазные ограничения в LCP, представляя собой перспективную, но пока предварительную стратегию для разработки высоковольтных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов.

Библиографические ссылки

(1) T.M. Gür. Review of electrical energy storage technologies, materials and systems: Challenges and prospects for large-scale grid storage. Energy & Environmental Science 11 (2018) 2696–2767. Crossref

(2) A.G. Olabi, Q. Abbas, A. Al Makky, M.A. Abdelkareem. Supercapacitors as next generation energy storage devices: Properties and applications. Energy 248 (2022) 123617. Crossref

(3) F. Nadeem, S.M.S. Hussain, P.K. Tiwari, A.K. Goswami, T.S. Ustun. Comparative review of energy storage systems, their roles, and impacts on future power systems. IEEE Access 7 (2019) 4555–4585. Crossref

(4) Y. Gao, Z. Pan, J. Sun, Z. Liu, J. Wang. High-Energy Batteries: Beyond Lithium-Ion and Their Long Road to Commercialisation. Nano-Micro Letters 14 (2022). Crossref

(5) A. Zanoletti, B.M. Bresolin, E. Bontempi. Building a Circular Economy for Lithium: Addressing Global Challenges. Global Challenges 2400250 (2024) 1–9. Crossref

(6) F. Ghani, K. An, D. Lee. A Review on Design Parameters for the Full-Cell Lithium-Ion Batteries. Batteries 10 (2024). Crossref

(7) A. Manfo Theodore. Structural, electrical, and electrochemical studies of the olivine LiMPO4 (M = Fe, Co, Cr, Mn, V) as cathode materials for lithium-ion rechargeable batteries based on the intercalation principle. Materials Open Research 2 (2023) 11. Crossref

(8) L. Dimesso, C. Förster, W. Jaegermann, J.P. Khanderi, H. Tempel, et al. Developments in nanostructured LiMPO4 (M = Fe, Co, Ni, Mn) composites based on three dimensional carbon architecture. Chemical Society Reviews 41 (2012) 5068–5080. Crossref

(9) M. Minakshi, S. Kandhasamy. Utilizing active multiple dopants (Co and Ni) in olivine LiMnPO4. Current Opinion in Solid State & Materials Science 16 (2012) 163–167. Crossref

(10) S. Kanungo, A. Bhattacharjee, N. Bahadursha, A. Ghosh. Comparative Analysis of LiMPO4 (M = Fe, Co, Cr, Mn, V) as Cathode Materials for Lithium-Ion Battery Applications – A First-Principle-Based Theoretical Approach. Nanomaterials 12 (2022). Crossref

(11) V.A. Alyoshin, E.A. Pleshakov, H. Ehrenberg, D. Mikhailova. Platelike LiMPO4 (M = Fe, Mn, Co, Ni) for possible application in rechargeable Li ion batteries: Beyond nanosize. Journal of Physical Chemistry C 118 (2014) 17426–17435. Crossref

(12) N.V. Urusova, M.A. Semkin, S. Lee, Y.A. Barykina, D.G. Kellerman, et al. Magnetic ordering and crystal structure of LiMPO4 compounds with M = (Mn, Fe, Ni/Mn, and Ni/Co). Ferroelectrics 509 (2017) 74–79. Crossref

(13) K. Amine, H. Yasuda, M. Yamachi. Olivine LiCoPO4 as 4.8 V electrode material for lithium batteries. Electrochemical and Solid-State Letters 3 (2000) 178–179. Crossref

(14) F. Wu, J. Maier, Y. Yu. Guidelines and trends for next-generation rechargeable lithium and lithium-ion batteries. Chemical Society Reviews 49 (2020) 1569–1614. Crossref

(15) V. Aravindan, J. Gnanaraj, Y.S. Lee, S. Madhavi. LiMnPO4 – A next generation cathode material for lithium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A 1 (2013) 3518–3539. Crossref

(16) G. Li, H. Chen, B. Zhang, H. Guo, S. Chen, et al. Interfacial covalent bonding enables transition metal phosphide superior lithium storage performance. Applied Surface Science 582 (2022). Crossref

(17) Z. Yang, Y. Guo, X. Zhang, W. Tang, B. Li, et al. Valence electron structure and properties of LiTPO4/C (T = Mn, Fe, Co, Ni) lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage 91 (2024). Crossref

(18) B. Wu, C. Chen, D.L. Danilov, R.A. Eichel, P.H.L. Notten. All-Solid-State Thin Film Li-Ion Batteries: New Challenges, New Materials, and New Designs. Batteries 9 (2023). Crossref

(19) E. Markevich, G. Salitra, D. Aurbach. Fluoroethylene Carbonate as an Important Component for the Formation of an Effective Solid Electrolyte Interphase on Anodes and Cathodes for Advanced Li-Ion Batteries. ACS Energy Letters 2 (2017) 1337–1345. Crossref

(20) L. Ma, J. Tan, Y. Wang, Z. Liu, Y. Yang, et al. Boron-Based High-Performance Lithium Batteries: Recent Progress, Challenges, and Perspectives. Advanced Energy Materials 13 (2023) 1–33. Crossref

(21) J. Zhang, N. Nie, Y. Liu, J. Wang, F. Yu, et al. Boron and nitrogen codoped carbon layers of LiFePO4 improve the high-rate electrochemical performance for lithium ion batteries. ACS Applied Materials & Interfaces 7 (2015) 20134–20143. Crossref

(22) H. Li, S.C. Huang, S.Y. Chen, J. Wu, H.Y. Chen, et al. Effect of Fe and Zn co-doping on LiCoPO4 cathode materials for High-Voltage Lithium-Ion batteries. Journal of Colloid and Interface Science 669 (2024) 117–125. Crossref

(23) S. Sreedeep, S. Natarajan, V. Aravindan. Recent advancements in LiCoPO4 cathodes using electrolyte additives. Current Opinion in Electrochemistry 31 (2022) 100868. Crossref