Właściwości strukturalne, transportowe i elektrochemiczne P2-Na0,7Fe0,5Mn0,5O2 – materiału katodowego dla ogniw Na-ion

• Autorzy: Baster D. , Kondracki Ł. , Kulka A. , Molenda J.

Warianty tytułu

EN

Structural, transport, and electrochemical properties of Na0.7Fe0.5Mn0.5O2 cathode material for Na-ion batteries

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono opis wysokotemperaturowej syntezy nowego materiału katodowego dla ogniw Na-ion batteries o strukturze warstwowej P2-Na0,7Fe0,5Mn0,5O2. Zbadano strukturę krystaliczną oraz wyznaczono charakterystykę temperaturową przewodnictwa elektrycznego otrzymanego materiału. Na bazie uzyskanego tlenku przygotowano ogniwa elektrochemiczne o schemacie Na/Na+/NaxFe0,5Mn0,5O2. Dla tak skonstruowanych ogniw wyznaczono pojemność właściwą materiału katodowego, odwracalność pracy ogniwa oraz stabilność podczas cyklicznego ładowania i rozładowania. Najwyższa uzyskana pojemność rozładowania ogniwa Na/Na+/NaxFe0,5Mn0,5O2 wynosiła 200 mAh/g przy szybkości rozładowania C/20. Monotoniczną zmianę potencjału zarejestrowano w zakresie 2-3 V. W oparciu o wyniki badań materiału katodowego Na0,7Fe0,5Mn0,5O2 metodą in-situ XRD w trakcie procesu ładowania i rozładowania ogniwa Na/Na+/Na0,7Fe0,5Mn0,5O2 stwierdzono, że struktura krystaliczna nie ulega zmianom w trakcie procesu elektrochemicznej deinterkalacji/interkalacji sodu z wyjątkiem odwracalnych zmian parametrów sieciowych.

EN

This work presents a high-temperature method of synthesis of a new cathode material for Na-ion batteries with the layered structure P2-Na0.7Fe0.5Mn0.5O2. The crystal structure and temperature dependence of electrical conductivity of the obtained material were investigated. The synthesized powder was applied as cathode material in Na/Na+/NaxFe0.5Mn0.5O2-type cells. Specific capacity of the cathode material, reversibility and stability during charge-discharge cycles measurements were carried out in order to characterize electrochemical properties of the cells. The highest discharge capacity of the Na/Na+/NaxFe0.5Mn0.5O2 cell was about 200 mAh/g with C/20 current rate. The monotonous voltage changes were recorded in the range of 2-3 V. Results obtained by the in-situ XRD technique during the process of charging and discharging of the Na/Na+/Na0.7Fe0.5Mn0.5O2 type cell provide a conclusion that the crystal structure of cathode material does not change during the electrochemical deintercalation/intercalation process of sodium except of reversible changes of structure parameters.

Słowa kluczowe

PL

Na-ion batteries; materiał katodowy; struktura krystaliczna; Na0,7Fe0,5Mn0,5O2

EN

Na-ion batteries; cathode material; crystal structure; Na0.7Fe0.5Mn0.5O2

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 68, nr 4
• Strony: 320--323
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Baster D.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

autor

Kondracki Ł.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

autor

Kulka A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

autor

Molenda J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

Bibliografia

• [1] Delmas, C., Fouassier, C., Hagenmuller, P.: Structural classification and properties of the layered oxides, Physica B+C, 99, (1980), 81-85.
• [2] Delmas, C., Braconnier, J. J., Fouassier, C., Hagenmuller, P.: Electrochemical intercalation of sodium in NaxCoO2 bronzes, Solid State Ionics, 3-4, (1981), 165-169.
• [3] Mendiboure, A., Delmas, C., Hagenmuller, P.: Electrochemical intercalation and deintercalation of NaxMnO2 bronzes, J. Solid State Chem. 57, (1985), 323-331.
• [4] Huang, Q., Foo, M. L., Pascal, R. A., Lynn, J. W., Toby, B. H., He, T., Zandbergen, H. W., Cava, R. J.: Coupling between electronic and structural degrees of freedom in the triangular lattice conductor NaxCoO2, Phys. Rev. B, 70, (2004), 184110.
• [5] Slater, M. D., Kim, D., Lee, E., Johnson, C. S.: Sodium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater., (2012), 1-12.
• [6] Lei, Y., Li, X., Liu, L., Ceder, G.: Synthesis and Stoichiometry of Different Layered Sodium Cobalt Oxides, Chem. Mater., 26, (2014), 5288-5296.
• [7] Banobre-López, M., Rivadulla, F., Caudillo, R., López-Quintela, M. A., Rivas, J., Goodenough, J. B.: Role of Doping and Dimensionality in the Superconductivity of NaxCoO2, Chem. Mater., 17, (2005), 1965-1968.
• [8] Baster, D., Dybko, K., Szot, M., Świerczek, K., Molenda, J.: Sodium intercalation in NaxCoO2-y - Correlation between crystal structure, oxygen nonstoichiometry and electrochemical properties, Solid State Ionics, 262, (2014), 206-210.
• [9] Molenda, J., Baster, D., Molenda, M., Świerczek, K., Tobola, J.: Anomaly in the electronic structure of the NaxCoO2-y cathode as a source of its step-like discharge curve, Phys. Chem. Chem. Phys., 16, (2014), 14845-4857.
• [10] Kikkawa, S., Miyazaki, S., Koizumi, M.: Sodium deintercalation from α-NaFeO2, Mat. Res. Bull., 20, (1985), 373-377.
• [11] Lee, E., Brown, D. E., Alp, E. E., Ren, Y., Lu, J., Woo, J.-J.Johnson, C. S.: New Insights into the Performance Degradation of Fe-Based Layered Oxides in Sodium-Ion Batteries: Instability of Fe3+/Fe4+ Redox in α-NaFeO2, Chem. Mater., 27, (2015), 6755-6764.
• [12] Yabuuchi, N., Kajiyama, M., Iwatate, J., Nishikawa, H., Hitomi, S., Okuyama, R., Usui, R., Yamada, Y., Komaba, S.: P2-type Nax[Fe1/2Mn1/2]O2 made from earth-abundant elements for rechargeable Na batteries, Nature Materials, 11, (2012), 512-517.
• [13] Larson, A. C., Von Dreele, R. B.: Los Alamos Natl. Lab. Rep. - LAUR, (2004), 86.
• [14] Toby, B. H.: EXPGUI, a graphical user interface for GSAS, J. Appl. Cryst., 34, (2001), 210-213.
• [15] Yabuuchi, N., Kubota, K., Dahbi, M., Komaba, S.: Research development on sodium-ion batteries, Chem. Rev., 114, (2014), 11636.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.