Zastosowanie związków wanadu jako materiału elektrodowego w bateriach litowo-jonowych i sodowo-jonowych

Abstract

This work has been divided into two main parts. The first of them contains a literature review and a discussion of the most important issues regarding the operation of lithium - and sodium -ion cells. Electrode materials and techniques used for their electrochemical characterization are also discussed. The second part presents the experimental work, which includes the synthesis of electrode materials (anode and cathode), a description of the apparatus and related measurement techniques, and a description of the course of the experiments. This section contains the obtained results, their discussion and summary. The electrode materials were used in this work: a-VPO4, a-VPO4/C, a-VPO4@MWCNT 15%, a-VPO4@MWCNT 30%, a-VPO4@MWCNT 50%, c-VPO4, c-VPO4/C, c-VPO4@MWCNT 15% , c-VPO4@MWCNT 30%, c-VPO4@MWCNT 50% and NaVPO4F, NaVPO4F/C, NaVPO4F@MWCNT, NaVPO4F/C@MWCNT 5%, NaVPO4F/C@MWCNT 10%, NaVPO4F/C@MWCNT 30%. Sodium batteries used NaPF6 in EC/DMC with the addition of 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one or NaClO4 in EC/PC with the addition of 5% 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one as the electrolyte. In the case of lithium batteries, the electrolyte used was 1M LiPF6 in a mixture of EC:DMC in a weight ratio of 1:1. The first stage of research resulted in the discovery of a new method for the synthesis of VPO4 and NaVPO4F. The materials were then characterized in terms of composition, structure and morphology using X -ray diffraction, Raman spectroscopy, IR, EDX, SEM and TEM analysis. In the next stage, electrochemical tests of the pristine materials and composites with amorphous carbon and multi -walled carbon nanotubes were performed. CV, GCPL curves were recorded for this purpose. The dependence of the capacitance on the current density and the dependence on the polarization rate were determined. The conducted experiments made it possible to study the influence of multi -walled carbon nanotubes on the electrochemical properties of the tested composites. They also made it possible to compare them to commonly used carbon coatings. On the basis of the research results, the electrochemical properties of VPO4 in sodium -ion and lithium -ion batteries were also compared. The conducted experiments confirmed the validity of using carbon structures to improve electrochemical parameters, and above all confirmed the attractiveness of vanadium compounds as electrode materials in lithium and sodium batteries.

Niniejsza praca została podzielona na dwie główne części. Pierwsza z nich zawiera przegląd literaturowy oraz omówienie najważniejszych zagadnień dotyczących działania ogniw litowo-jonowych i sodowo-jonowych. Omówiono także materiały elektrodowe i techniki wykorzystywane do ich charakterystyki pod kątem elektrochemicznym. W części drugiej przedstawiono pracę eksperymentalną, w której zawarto m.in. syntezę materiałów elektrodowych (anodowych i katodowych), opis wykorzystanej aparatury i związanych z nią technik pomiarowych wraz z opisem przebiegu prowadzonych doświadczeń. W tej części znajdują się uzyskane wyniki, ich omówienie i podsumowanie. W pracy doświadczalnej wykorzystano następujące materiały anodowe: a-VPO4, a-VPO4/C, a-VPO4@MWCNT 15%, a-VPO4@MWCNT 30%, a-VPO4@MWCNT 50%, c-VPO4, c-VPO4/C, c-VPO4@MWCNT 15% , c-VPO4@MWCNT 30%, c-VPO4@MWCNT 50% and NaVPO4F, NaVPO4F/C, NaVPO4F@MWCNT, NaVPO4F/C@MWCNT 5%, NaVPO4F/C@MWCNT 10%, NaVPO4F/C@MWCNT 30%. Pierwszy etap badań doprowadził do opracowania metody syntezy VPO4 i NaVPO4F. Otrzymane materiały scharakteryzowano pod względem składu, struktury i morfologii przy użyciu dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii Ramana, IR, analizy EDX, SEM i TEM. W dalszym etapie wykonano testy elektrochemiczne czystych materiałów oraz kompozytów z węglem amorficznym i wielościennymi nanorurkami węglowymi. W tym celu zarejestrowano krzywe CV, GCPL. Wyznaczono zależności pojemności od gęstości prądu oraz zależność od szybkiej polaryzacji.