Functional C/Sn anode nanocomposites for high capacity lithium ion batteries

Dużym zainteresowaniem cieszą się obecnie akumulatory litowe (Li-ion), które wyróżniają się większą gęstością magazynowanej energii oraz możliwością minimalizacji rozmiarów w porównaniu do innych stosowanych powszechnie rozwiązań. Wraz z rozwojem urządzeń elektronicznych zwiększa się zapotrzebowanie na materiały elektrodowe oferujące lepsze parametry użytkowe. Cyna jako materiał anodowy w ogniwach Li-ion, wykazuje wysoką pojemność teoretyczną (994 mAh/g). Jednakże podczas procesu interkalacji litu wykazuje istotne zmiany objętości materiału aktywnego (nawet do 300%), co utrudnia jej praktyczne zastosowanie. Proponowanym rozwiązaniem tego problemu jest utworzenie nanokompozytu C/Sn, w którym warstwa węglowa stanowi bufor dla zmiany objętości materiału aktywnego podczas pracy ogniwa, zapewniając jednocześnie odpowiedni kontakt elektryczny.Syntezę nanokompozytu anodowego C/Sn przeprowadzono w trzech etapach. W pierwszym etapie otrzymano nanometryczny tlenek cyny(IV) metodą odwróconej mikroemulsji (W/O) oraz prekursor węglowy poli-N-winyloformamid (PNVF) w procesie polimeryzacji rodnikowej. W drugim etapie miała miejsce impregnacja nanoziaren SnO2 roztworem wodnym MPNVF (roztwór PNVF oraz kwasu piromelitowego). Końcowym etapem była kontrolowana piroliza prekompozytu MPNVF/SnO2 podczas której zachodziła karboredukcja nanoproszku SnO2 do metalicznej cyny oraz jednoczesna enkapsulacja nanoziaren cyny w matrycy węglowej. Właściwości otrzymanych nanokompozytów C/Sn zostały scharakteryzowane następującymi metodami badawczymi: EGA-TGA/DTG/SDTA, XRD, N2-BET, EC, CV. Złożone z syntezowanych materiałów ogniwa typu Li/Li+/(C/Sn) poddano cyklicznym testom ładowania/rozładowania.

Lithium ion batteries (Li-ion) reveal greater density of stored energy and possibility of size minimizing in comparison to other commonly used solutions for energy storage. Fast development of electronic devices provides a demand for electrode materials with better performance characteristics. Tin as an anode material for Li-ion batteries reveals high theoretical capacity up to 994 mAh/g. However, during the process of lithium intercalation, a large volume changes of the active material occurs (up to 300%), thus this causes limited practical application. The proposed solution to solve the problem is to create a nanocomposite C/Sn, where the carbon layer act as a buffer for volume changes of the active material during cell operation and also ensures proper electrical wiring.The synthesis of C/Sn nanocomposite was carried out in three stages. In initial step nanosized tin oxide(IV) was obtained by reverse microemulsions (W/O) method and carbon precursor poly-N-vinylformamide (PNVF) in radical polymerization process was prepared. The second step consisted of SnO2 nanoparticles impregnation by MPNVF water solutions (solution of PNVF and pyromellitic acid). In the final step controlled pyrolysis of the MPNVF/SnO2 was performed. Simultaneously, during the process carboreduction of SnO2 nanopowder to metallic tin occurred and encapsulation of formed tin nanograins in carbon matrix was achieved.Properties of the obtained C/Sn nanocomposites were determined by using the following methods: EGA-TGA/DTG/SDTA, XRD, N2-BET, EC, CV. The C/Sn nanocomposites were tested in Li/Li+/(C/Sn) electrochemical cells during charge/discharge cycles.