Effect of precursor composition on physico- and electrochemical properties of carbon anode materials for use in Li-ion cells.

Akumulatory litowe to przenośne magazyny energii szeroko wykorzystywane w urządzeniach elektronicznych. Ze względu na ich coraz większe zapotrzebowanie oraz konieczność poprawy ich parametrów pracy, nieustannie poszukuje się lepszych materiałów do budowy ogniw o konkurencyjnych właściwościach i niskim koszcie produkcji. Materiałem służącym do wytworzenia materiałów węglowych stosowanych w ogniwach może być skrobia, która jest tania i szeroko dostępna. W niniejszej pracy przeprowadzono syntezę nowych materiałów anodowych - aerożeli węglowych, których prekursorem bazowym była skrobia ziemniaczana z dodatkami chityny, chitozanu i ligniny. Proces preparatyki materiałów węglowych składał się z następujących etapów: kleikowanie skrobi wraz z odpowiednim dodatkiem, starzenie powstałego kleiku, wymiana rozpuszczalnika, suszenie powstałych alkożeli oraz piroliza w atmosferze argonu aerożeli organicznych. Następnie otrzymane aerożele węglowe scharakteryzowano za pomocą analizy elementarnej (EA) w celu wyznaczenia składu pierwiastkowego oraz przy użyciu proszkowej dyfraktometrii rentgenowskiej (XRD) w celu określenia struktury i sprawdzenia czystości fazowej badanych próbek. Wszystkie zsyntezowane materiały charakteryzują się wysoką procentową zawartością węgla (75,7% - 92,5%). Na podstawie proszkowej dyfraktometrii rentgenowskiej stwierdzono, że badane próbki to substancje amorficzne zawierające domeny grafitowe. Galwanostatyczne testy ładowania/rozładowania (GCDT) przeprowadzono dla półogniw testowych z użyciem sześciu wybranych próbek. Testy te wykonano w celu określenia parametrów pracy zmontowanych ogniw. Badania pokazały, że materiały węglowe otrzymane na bazie skrobi modyfikowanej innymi polimerami naturalnymi cechują się bardzo dobrymi właściwościami elektrochemicznymi.

Lithium-ion batteries are portable energy storage systems, widely used in electronic devices. Due to the increasing demand of such systems and the need to improve their performance, more efficient materials for creating the cells with competitive properties and low production cost are constantly being sought. The raw material that can be used to make carbonaceous anodes used in Li-ion cells is starch, which is cheap and widely available. In this work, new anode materials, carbon aerogels, were synthesized, whose precursor consists of potato starch with chitin, chitosan or lignin additives. The process of preparation of carbon materials involved the following stages: gelatinization of starch with appropriate additive, ageing of the resulting sol, exchange of solvent, drying of the resulting alcogel and pyrolysis of organic aerogels in argon atmosphere. Then the obtained carbon aerogels were characterized by elemental analysis (EA) to determine the elemental composition and by X-ray powder diffractometry (XRD) to confirm the structure and check the phase purity of the samples. All synthesized materials are characterized by high percentage of carbon content (75.7% - 92.5%). On the basis of X-ray powder diffractometry it was found that the samples are amorphous substances containing graphite domains. Galvanostatic charge/discharge tests (GCDT) were carried out on half-cells using six selected samples. These studies were performed to determine the performance of the assembled cells. The research has shown that carbon materials based on starch modified with other natural polymers are characterized by very good electrochemical properties.