Sintesis Bahan Anoda Li4Ti5O12 Berlapis Perak Bulat dengan Metode Hidrotermal Berbantuan Sol-Gel

Abstrak

ᅟ

Li bulat berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ komposit berhasil disintesis melalui metode hidrotermal berbantuan sol-gel menggunakan campuran etilen glikol dan perak nitrat sebagai prekursor, dan pengaruh kandungan lapisan Ag pada sifat elektrokimia diselidiki secara ekstensif. Analisis difraksi sinar-X (XRD) menunjukkan bahwa pelapisan Ag tidak mengubah struktur spinel Li₄ Ti₅ O₁₂ . Analisis spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menunjukkan bahwa konduktivitas listrik yang sangat baik dari Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag dihasilkan dari adanya lapisan pelapis perak yang sangat konduktif. Selain itu, lapisan perak setebal nano, yang dilapisi secara merata pada partikel, secara signifikan meningkatkan kemampuan kecepatan bahan ini. Akibatnya, bola berukuran mikron berlapis perak Li₄ Ti₅ O₁₂ menunjukkan kinerja elektrokimia yang sangat baik. Jadi, dengan kandungan perak yang sesuai sebesar 5 wt.%, Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag menghasilkan kapasitas tertinggi 186,34 mAh g⁻¹ pada 0,5C, yang lebih tinggi dari sampel lainnya, dan mempertahankan 92,69% dari kapasitas awalnya pada 5C setelah 100 siklus. Bahkan pada 10C setelah 100 siklus, masih memiliki retensi kapasitas 89,17%, menunjukkan stabilitas bersepeda yang luar biasa.

Pendaftaran percobaan

ISRCTN NARL-D-17-00568

Sorotan

1.
Li Bulat₄ Ti₅ O₁₂ Komposit /Ag disintesis melalui metode hidrotermal berbantuan sol-gel menggunakan etilen glikol dan campuran perak nitrat sebagai prekursor untuk lapisan pelapis, yang secara signifikan meningkatkan konduktivitas elektronik dan kinerja elektrokimia Li₄ Ti₅ O₁₂ .
2.
Morfologi sferis dapat menyebabkan densitas tap yang besar dan akibatnya meningkatkan densitas energi volumetrik.

Latar Belakang

Selama dekade terakhir, baterai lithium-ion (LIB) yang dapat diisi ulang telah menunjukkan banyak keunggulan. Mereka ringan; memiliki ukuran kecil, tegangan tinggi dan kepadatan energi tinggi; dan telah menarik minat yang kuat sebagai perangkat penyimpanan energi elektrokimia untuk mengurangi emisi gas buang dan untuk penghematan bahan bakar [1, 2]. Namun, harga prekursor lithium, masalah keselamatan dan kehidupan, dan kepadatan daya yang rendah menjadi kendala penerapan LIB untuk penyimpanan energi skala besar di masa depan [3]. Oleh karena itu, untuk mengembangkan bahan pengganti untuk memenuhi tuntutan keamanan penyimpanan skala besar, upaya besar telah dilakukan [4].

Cube spinel lithium titanate (Li₄ Ti₅ O₁₂ ), bahan anoda baterai Li-ion, telah menjadi bahan yang menjanjikan karena karakteristik struktural tanpa regangan selama proses interkalasi dan deinterkalasi Li₄ Ti₅ O₁₂ [5,6,7,8,9]. Bahan ini memiliki voltase penyisipan dan ekstraksi litium platform ~ 1,55 V (vs. Li/Li⁺ ), menghindari pembentukan film antarmuka elektrolit padat (SEI) yang memakan lithium, yang seharusnya bermanfaat untuk meningkatkan keamanan dan siklus LIB yang baik. Oleh karena itu, Li₄ Ti₅ O₁₂ telah menjadi salah satu bahan potensial dalam aplikasi komersial dan penelitian ilmiah. Li₄ Ti₅ O₁₂ telah dibuat melalui berbagai metode, misalnya metode solid-state, deposisi tanpa listrik, microwave, dan metode sol-gel. Mengenai metode solid-state, beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa ia memiliki rute sintesis yang sederhana dan biaya sintesis yang rendah karena jarak yang lebih pendek untuk Li⁺ difusi dan transfer elektron, Li₄ Ti₅ O₁₂ menunjukkan kemampuan laju yang sangat baik, tetapi reaksi keadaan padat tidak dapat memberikan morfologi yang seragam dengan ukuran yang sempit. Namun, proses deposisi tanpa listrik memiliki rute sintesis yang kompleks. Untuk sintesis sol-gel Li₄ Ti₅ O₁₂ , beberapa peneliti telah melaporkan bahwa ia dapat menghasilkan produk dengan distribusi homogen seragam dan partikel sempit dengan kontrol stoikiometrik yang baik.

Terlepas dari banyak keuntungan ini, kelemahan utama Li₄ Ti₅ O₁₂ adalah konduktivitas elektronik dan ioniknya yang buruk dan koefisien difusi Li-ionnya yang lambat, yang menghasilkan kapasitas laju yang buruk. Banyak strategi, termasuk pengurangan ukuran kristal [10], doping dengan ion logam valensi tinggi [11,12,13], dan pelapisan dengan fase konduksi [14,15,16,17], telah diadopsi untuk meningkatkan transportasi debit/muatan. sifat elektroda. Selain itu, cara lain untuk meningkatkan konduktivitas elektronik adalah dengan mensintesis Li₄ . berstruktur nano Ti₅ O₁₂ . Struktur nano menyediakan area kontak elektroda/elektrolit yang lebih besar untuk meningkatkan kinetika interkalasi dan mengurangi jalur difusi untuk mempercepat Li⁺ dan transpor elektron [18]. Di antara pendekatan ini, cara yang paling efektif untuk meningkatkan sifat elektrokimia Li₄ Ti₅ O₁₂ adalah modifikasi permukaan konduktif. Aslihan dkk. [2] mensintesis Li₄ Ti₅ O₁₂ melalui metode sol-gel, dan kemudian disintesis Li₄ Ti₅ O₁₂ permukaannya dilapisi dengan perak melalui deposisi tanpa listrik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lapisan perak (lapisan Ag) menghasilkan matriks yang sangat konduktif untuk Li⁺ penyisipan, meningkatkan konduktivitas elektronik. Zhu dkk. [19] disiapkan Li berukuran nano berlapis karbon₄ Ti₅ O₁₂ bola mikro nanopori dengan kemampuan laju yang luar biasa melalui proses pra-pelapisan karbon dalam kombinasi dengan metode pengeringan semprot, dan menunjukkan bahwa partikel bola berukuran mikron menginduksi kerapatan tap yang besar, menghasilkan peningkatan kerapatan energi volumetrik. Namun, bagaimana mensintesis Li berukuran mikron berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ partikel bola melalui metode hidrotermal berbantuan sol-gel belum dilaporkan.

Di sini, kami melaporkan metode hidrotermal berbantuan sol-gel untuk mensintesis Li₄ sferis berukuran mikron. Ti₅ O₁₂ /Ag komposit menggunakan etilen glikol dan campuran perak nitrat sebagai prekursor, dan isi dari lapisan Ag diatur dengan mengontrol jumlah elemen perak dalam prekursor. Sifat elektrokimia dari Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag dengan morfologi bola diselidiki secara rinci.

Eksperimental

Sintesis Li Asli₄ Ti₅ O₁₂ dan Modifikasi Permukaannya dengan Ag

Sintesis Prekursor Bulat Melalui Metode Sol-Gel

Prekursor sferis titanium glikolat (TG) disintesis dengan metode sol-gel. Pertama, 2 mL tetrabutil titanat ditambahkan perlahan ke dalam larutan yang mengandung AgNO₃ (pada jumlah yang tepat untuk larut dalam 50 mL glikol), di bawah pengadukan kuat untuk membentuk larutan prekursor. Kedua, larutan prekursor ditambahkan ke 150 mL campuran aseton yang mengandung 0,1 mL Tween 80, dan pengadukan dilanjutkan selama 1 jam pada suhu kamar untuk membentuk endapan. Kemudian, endapan didiamkan selama 8 jam, dipisahkan dengan penyaringan, dan dicuci dua kali dengan alkohol anhidrat. Akhirnya, bubuk prekursor diperoleh dengan perlakuan panas pada suhu 80 °C selama 6 jam dalam oven diikuti dengan penggilingan.

Sintesis Li Bulat₄ Ti₅ O₁₂ /Ag

Li bulat₄ Ti₅ O₁₂ /Ag dibuat melalui metode hidrotermal. Pertama, LiOH·H₂ O dan prekursor dengan perbandingan molar 3,9:1 dicampur secara homogen dengan mengaduknya dengan 40 mL alkohol sebagai media selama 1 jam untuk membentuk campuran, yang kemudian dipanaskan pada suhu 180 °C selama 12 jam dalam barang teflon tertutup sampai mengendap. didapatkan. Kedua, endapan dikumpulkan melalui sentrifugasi (5000 rpm, 5 menit) dan selanjutnya dicuci dengan etanol anhidrat beberapa kali. Kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 80oC selama 2 jam. Terakhir, endapan dipanaskan dalam tungku peredam pada 700 °C selama 2 jam (laju pemanasan 5 °C·min⁻¹ ) di udara setelah digiling dan kemudian didinginkan secara alami hingga suhu kamar untuk mendapatkan Li₄ bulat. Ti₅ O₁₂ /Ag bubuk.

Karakterisasi Material

Struktur Li₄ Ti₅ O₁₂ sampel diidentifikasi melalui difraksi sinar-X (XRD, Rigaku D/max-PC2200) menggunakan sumber radiasi Cu Kα (λ =0,15405 nm) dengan laju pemindaian 4 °min⁻¹ dari 10° sampai 80° dan dioperasikan pada 40 KV dan 20 mA. Morfologi dan ukuran partikel bahan dieksplorasi melalui SEM (scanning electron microscopy, Supra 55 Zeiss) dan TEM (transmission electron microscopy, JEOL-2100).

Pengukuran Elektrokimia

Performa elektrokimia produk diuji menggunakan sel tipe koin CR2025. Elektroda kerja disiapkan dengan mencampur 80 wt.% Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag bahan aktif, 10 wt.% konduktif Super-P, dan 10 wt.% polivinilidena fluorida (PVDF) pengikat dalam pelarut N-metil-2-pirolidon (NMP) untuk membentuk bubur seragam. Kemudian, bubur itu dilemparkan ke aluminium foil dan dikeringkan di bawah vakum pada 80 ° C selama 12 jam untuk menghilangkan sisa pelarut. Kemudian, foil ditekan dan dipotong menjadi disk. Membran mikropori polipropilen Celgard 2400 dan foil lithium digunakan sebagai pemisah dan elektroda negatif, masing-masing. Larutan elektrolitnya adalah 1 M LiPF₆ dalam etilen karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dan etilen metil karbonat (EMC) dengan rasio volumetrik 1:1:1. Sel-sel tersebut dirakit dalam kotak sarung tangan berisi argon, di mana tingkat kelembapan dan oksigen dijaga di bawah 1 ppm. Uji elektrokimia produk dievaluasi menggunakan sistem uji LAND CT2001A (Wuhan, Cina). Tes voltametri siklik (CV) direkam pada stasiun kerja elektrokimia CHI600A pada 0,1 mV s⁻¹ kecepatan pemindaian dari 1,0 hingga 2,5 V (vs. Li/ Li⁺ ). Pengukuran EIS dilakukan pada rentang frekuensi 100 KHz hingga 10 mHz dengan gangguan 5 mV.

Hasil dan Diskusi

Sifat Struktural dan Morfologi

Pengaruh jumlah aditif Ag terhadap Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag bubuk diselidiki. Pola XRD dari Li bulat berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ komposit diberikan pada Gambar. 1. Dapat dengan mudah dilihat bahwa puncak difraksi utama dari semua spesimen muncul pada 18,4°, 35,54°, 43,2°, 57,2°, 62,8°, dan 66,1° dan diindeks sebagai (111), (311), (400), (333), (440), dan (531), masing-masing. Puncak itu sesuai dengan Li₄ Ti₅ O₁₂ pola difraksi standar [20], kecuali untuk pola karakteristik logam Ag (2θ =38,1°, 44,3°, 64,4°). Tidak ada puncak difraksi pengotor yang terdeteksi di salah satu spesimen. Selain itu, intensitas puncak perak juga meningkat seiring dengan peningkatan jumlah Ag.

Pola XRD dari Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag. (a ) 0% berat, (b ) 1 % berat, (c ) 3 berat%, (d ) 5 % berat, dan (e ) 7 berat%

Parameter kisi Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag sampel dengan pelapis Ag yang berbeda disediakan pada Tabel 1. Tidak ada perubahan signifikan dengan peningkatan konten Ag yang diamati. Dengan demikian, disarankan bahwa perak terutama melapisi dalam bentuk unsur Ag pada permukaan Li₄ Ti₅ O₁₂ partikel tetapi tidak menembus ke dalam kisi spinel Li₄ Ti₅ O₁₂ . Karena jari-jari ionik Ag⁺ (0,126 nm) jauh lebih besar daripada Ti⁴⁺ (0,068 nm), sintesis Li₄ Ti₅ O₁₂ /Sampel Ag hanyalah gabungan dari logam Ag dan Li₄ Ti₅ O₁₂ fase.

Gambar 2 menunjukkan gambar SEM dari prekursor yang telah disiapkan (a₁ -e₁ ) dan Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag (a₂ -e₂ ). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, semua sampel menunjukkan struktur bola seragam dengan distribusi ukuran sempit 5-10 m, yang bermanfaat untuk kontak antara bahan aktif dan elektroda. Dari gambar SEM, prekursor bola, partikel titanium glikolat (TG), menunjukkan garis halus, sedangkan Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag partikel menyajikan garis kasar. Selain itu, dispersi yang baik dapat memperbesar area kontak elektroda-elektrolit dan secara signifikan mempercepat pengangkutan Li⁺ dan elektron. Namun, permukaan Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag sampel tidak jelas lebih halus daripada prekursor yang disiapkan dan titanium glikolat, dan mereka ada sampai batas tertentu sebagai aglomerasi. Selain itu, ukuran partikel Li₄ yang berbeda Ti₅ O₁₂ Komposit /Ag jauh lebih besar daripada Li bebas Ag₄ Ti₅ O₁₂; namun, fenomena aglomerasi menjadi lebih jelas dengan meningkatnya kandungan perak.

Gambar SEM dari pendahulu dan Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag. (a ) 0% berat, (b ) 1 % berat, (c ) 3 berat%, (d ) 5 berat%, (e ) 7 berat%

Distribusi perak di bagian dalam partikel berukuran mikron diselidiki lebih lanjut, dan analisis TEM dan HRTEM diberikan pada Gambar. 3. Gambar TEM (Gbr. 3a) menunjukkan bahwa 5 berat% Ag berlapis mikron berukuran -li bulat₄ Ti₅ O₁₂ partikel dilapisi secara seragam oleh lapisan perak dengan ketebalan 3~4 nm, menunjukkan bahwa lapisan perak membangun jaringan konduktif pada permukaan seluruh bahan, yang memfasilitasi ion litium dan transpor elektron. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, permukaan Li berukuran mikron₄ Ti₅ O₁₂ /Ag partikel tidak halus, dan d -jarak 5 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ partikel adalah 0,484 nm, yang sangat cocok dengan bidang LTO (111). Hal ini menunjukkan bahwa tidak ada fase baru yang dihasilkan pada permukaan partikel LTO, tetapi ada lapisan tipis pada partikel.

(a ) TEM dan (b ) Gambar HRTEM dari Li berlapis perak 5 berat%₄ Ti₅ O₁₂ , di mana "garis" menunjukkan lapisan perak berlapis

Sifat Elektrokimia

Gambar 4 menunjukkan kurva charge-discharge pertama dari bola berukuran mikron Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag elektroda dilapisi dengan isi Ag yang berbeda pada tingkat yang berbeda. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 4, semua profil menunjukkan dataran tegangan yang sangat datar 1,55 V (vs. Li/Li⁺ ), menunjukkan transisi dua fase antara Li₄ Ti₅ O₁₂ dan Li₇ Ti₅ O₁₂ untuk penyisipan lithium [21]. Platform tegangan Li₄ Ti₅ O₁₂ Komposit /Ag lebih panjang dari Li₄ Ti₅ O₁₂ . Dengan peningkatan konten Ag, untuk platform pelepasan Li₄ . yang lebih lama Ti₅ O₁₂ /Ag komposit, kemampuan untuk mempertahankan platform lebih kuat, menunjukkan bahwa konduktivitas elektronik yang baik dapat secara efektif mengurangi polarisasi material selama proses reaksi elektroda, dan meningkatkan pemanfaatan material.

Kurva charge-discharge awal dengan berbagai kepadatan arus Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag. (a ) 0% berat, (b ) 1 % berat, (c ) 3 berat%, (d ) 5 berat%, (e ) 7 berat%

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, Li bebas Ag₄ Ti₅ O₁₂ menghasilkan kapasitas khusus pelepasan awal sebesar 167,62 mAh g⁻¹ pada laju 0,5C, sedangkan kapasitas terkirim dari Li bulat berukuran mikron berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ komposit meningkat dengan meningkatnya jumlah perak:170.10, 179.54, dan 186,34 mAh g⁻¹ untuk 1, 3, dan 5% berat, masing-masing. Tapi 7 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ menunjukkan perilaku yang agak berbeda. Kapasitas khusus pelepasan yang dikirim menurun dengan bertambahnya jumlah perak:175,86 mAh g⁻¹ untuk 7% berat. Li yang dilapisi Ag 5 berat₄ Ti₅ O₁₂ memperoleh kapasitas debit awal tertinggi, dan kapasitas spesifik debit awal mencapai 186,34, 172,47, 154,12, dan 136,06 mAh g⁻¹ pada arus spesifik 0,5, 1, 5, dan 10C, masing-masing. Karena konduktivitas elektronik yang buruk dan Li⁺ . yang lamban difusi, bahan menunjukkan polarisasi besar pada tingkat pengisian/pengosongan yang tinggi. Aditif Ag yang sangat konduktif dapat secara signifikan meningkatkan reaksi interkalasi permukaan dan mengurangi polarisasi [20, 22]. Bahkan kandungan Ag tertinggi (7 wt.%) dapat memberikan dataran tinggi tegangan terpanjang, dan logam perak itu sendiri tidak dapat sepenuhnya disisipkan ke dalam litium. Sebaliknya, kandungan Ag yang tinggi akan menyebabkan penurunan kapasitas spesifik Li₄ Ti₅ O₁₂ /Ag. Oleh karena itu, kandungan perak yang sesuai tidak hanya dapat secara efektif meningkatkan konduktivitas Li₄ Ti₅ O₁₂ dan mengurangi polarisasi Li₄ Ti₅ O₁₂ dalam proses reaksi tetapi juga dapat mengurangi hilangnya kapasitas reversibel karena pelapisan Ag.

Kemampuan kecepatan Li₄ . Ag-free Ti₅ O₁₂ dan 5 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ komposit dianalisis pada kepadatan arus 0,5, 1, 5, dan 10C, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 5. Seperti yang ditunjukkan, kapasitas awal dari 5 wt.% Ag berlapis Li₄ Ti₅ O₁₂ komposit pada 5C adalah 154,12 mAh g⁻¹ . Setelah 30 siklus, kapasitas tetap dipertahankan pada 150,50 mAh g⁻¹ , mempertahankan lebih dari 97,65% dari kapasitas awal. Ketika ditingkatkan lebih lanjut ke 10C, kapasitas debit tampaknya turun dari 136,06 mAh g⁻¹ hingga 130,81 mAh g⁻¹ setelah 30 siklus. Sedangkan efisiensi retensi kapasitas masih dapat dipertahankan sebesar 96,14%. Terlebih lagi, performa bersepeda Li₄ Ti₅ O₁₂ Komposit /Ag secara signifikan lebih baik daripada Li₄ . bebas Ag Ti₅ O₁₂ pada berbagai tingkat charge-discharge. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6a, dengan kandungan perak yang sesuai sebesar 5% berat, Li₄ berlapis perak Ti₅ O₁₂ menghasilkan kapasitas tertinggi 186,34 mAh g⁻¹ pada 0,5C, yang lebih tinggi dari sampel lain, dan mempertahankan 92,69% dari kapasitas awalnya pada 5C setelah 100 siklus. Bahkan pada 10C setelah 100 siklus (Gbr. 6b), masih memiliki retensi kapasitas 89,17%, menunjukkan stabilitas bersepeda yang luar biasa. Hasilnya menunjukkan bahwa di bawah kondisi eksperimental yang menguntungkan, Li₄ Ti₅ O₁₂ pelapisan Ag permukaan tidak hanya meningkatkan konduktivitas elektron dan ionik tetapi juga jelas meningkatkan transpor elektron selama reaksi penyisipan/ekstraksi litium dan secara signifikan meningkatkan stabilitas siklus Li₄ Ti₅ O₁₂ .

Tingkat kapabilitas dari Ag-free dan 5 wt.% Ag-coated Li₄ Ti₅ O₁₂ di bawah tarif saat ini yang berbeda

Performa bersepeda Li₄ . yang dilapisi Ag dan 5 berat% Li₄ Ti₅ O₁₂ pada 5 °C (a ) dan 10 °C (b )

Gambar 7 menyajikan voltamogram siklik (CVs) dari Li bebas Ag₄ Ti₅ O₁₂ dan 5 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ komposit diperoleh pada kecepatan lambat 0,1 mV s⁻¹ . Jelas, puncak redoks reversibel antara 1,0 dan 2,5 V diperoleh, yang dikaitkan dengan penyisipan dan ekstraksi ion lithium, menunjukkan tidak ada pembentukan fase menengah selama penyisipan dan de-insersi lithium. Sedangkan luas puncak redoks kedua kurva ini hampir sama, menunjukkan efisiensi coulomb yang tinggi [23]. Perbedaan potensial antara puncak oksidasi dan reduksi dari 5 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ adalah 0,244 V, yang sedikit lebih rendah dari Li₄ . bebas Ag Ti₅ O₁₂ (0,24V). Hal ini menunjukkan bahwa pelapisan permukaan yang tepat dari aditif Ag yang sangat konduktif secara signifikan mengurangi polarisasi Li₄ Ti₅ O₁₂ sampel dan secara efektif meningkatkan kinerja elektrokimia. Selain itu, puncak redoks dari 5 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ lebih tajam dan lebih besar daripada Li bebas Ag₄ Ti₅ O₁₂ , yang menunjukkan bahwa lapisan Ag yang sesuai dapat meningkatkan kinerja dinamis elektroda.

Kurva CV bebas Ag dan Li berlapis Ag 5 berat₄ Ti₅ O₁₂ komposit

Pengukuran spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dari Li bebas Ag₄ Ti₅ O₁₂ dan 5 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ dilakukan dalam rentang frekuensi 10⁵ hingga 0,01 Hz sebelum siklus galvanostatik. Selain itu, rangkaian ekivalen (inset) dan data impedansi yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 8. Dalam rangkaian ekivalen, Rs mewakili resistansi larutan elektrolit, yang mencerminkan konduktivitas listrik dari elektrolit, pemisah, dan elektroda. (persimpangan dengan Z ^′ sumbu pada frekuensi tinggi), R ct menunjukkan resistansi transfer muatan dalam material, CPE adalah kapasitansi film lapisan ganda dan pasif, dan W adalah impedansi Warburg, yang terkait dengan difusi ion lithium di wilayah frekuensi rendah. Parameter yang diperoleh dengan pemasangan tercantum dalam Tabel 2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8, kedua kurva EIS terdiri dari setengah lingkaran yang tertekan di wilayah frekuensi tinggi dan garis lurus miring di wilayah frekuensi rendah. Diameter setengah lingkaran mewakili resistansi transfer muatan, dan garis lurus miring terkait dengan impedansi Warburg [24]. Impedansi setengah lingkaran di wilayah frekuensi tinggi sesuai dengan proses transfer muatan antarmuka elektroda dan elektrolit cair, dan garis lurus di wilayah frekuensi rendah dapat dinyatakan sebagai perilaku difusi ion lithium dalam struktur oksida [25,26, 27,28]. Seperti ditunjukkan dari Gambar 8, diameter setengah lingkaran dari 5 berat Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ lebih pendek dari Li₄ Ti₅ O₁₂ , menunjukkan bahwa jumlah lapisan Ag yang tepat dapat meningkatkan konduktivitas elektronik Li₄ Ti₅ O₁₂ , dan ini berkaitan dengan proses transfer biaya, di mana Li⁺ dan elektron mencapai permukaan elektroda secara bersamaan untuk menyelesaikan reaksi. Ini terutama tergantung pada reaksi redoks di permukaan bahan aktif. Resistensi transfer muatan yang lebih kecil dari Li yang dilapisi Ag 5 berat₄ Ti₅ O₁₂ mencerminkan reaksi transfer muatan yang lebih cepat pada antarmuka elektroda/elektrolitnya.

Pola EIS dari Li₄ pure murni Ti₅ O₁₂ dan Li₄ Ti₅ O₁₂ dilapisi dengan isi Ag yang berbeda

Koefisien difusi kimia ion lithium dapat dihitung dari plot di wilayah frekuensi rendah dengan menggunakan Persamaan berikut. (1) [29,30,31,32,33].

$$ {D}_{{\mathrm{Li}}^{+}}=\frac{R^2{T}^2}{2{A}^2{n}^4{F}^4{ C}_{Li}^2{\sigma_w}^2} $$ (1)

Di sini, $ {D}_{{\mathrm{Li}}^{+}} $ adalah koefisien difusi ion litium, R adalah konstanta gas (8,314 JK mol⁻¹ ), T adalah suhu mutlak (298 K), A adalah luas permukaan elektroda, n adalah jumlah elektron per molekul yang menghadiri reaksi transfer elektronik, F adalah konstanta Faraday (96.500 C mol⁻¹ ), C _Li adalah konsentrasi ion litium dalam Li₄ Ti₅ O₁₂ elektroda, dan σ _dengan adalah faktor Warburg, yang memiliki hubungan berikut dengan Ζ _ulang :

$$ {Z}_{\mathrm{re}}={R}_S+{R}_{\mathrm{ct}}+{\sigma}_w\cdot {\omega}^{- 0.5} $$ (2 )

Selain itu, hubungan antara Z _ulang dan akar kuadrat timbal balik frekuensi dalam frekuensi rendah ditunjukkan pada Gambar. 9. Semua parameter yang diperoleh dan dihitung dari EIS dirangkum dalam Tabel 2. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2, $ {D}_{\mathrm{ L}{\mathrm{i}}^{+}} $ dari 5 berat% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ adalah 6,73 × 10⁻¹¹ , yang merupakan satu urutan besarnya lebih tinggi dari Li₄ Ti₅ O₁₂ (8,69 × 10⁻¹² ). Li yang dilapisi Ag 5 berat₄ Ti₅ O₁₂ memiliki koefisien difusi litium terbesar dibandingkan dengan Li bebas Ag₄ Ti₅ O₁₂ dan 1, 3, dan 7 wt.% Li berlapis Ag₄ Ti₅ O₁₂ komposit, menunjukkan bahwa pelapisan dengan Ag adalah cara yang efektif untuk meningkatkan konduktivitas elektronik. Akibatnya, kapasitas laju 5 wt.% Ag berlapis Li₄ Ti₅ O₁₂ dapat ditingkatkan secara substansial.

Grafik Z _ulang berkomplot melawan ω ^−0,5 di wilayah frekuensi rendah untuk Li₄ Ti₅ O₁₂ dan Li₄ Ti₅ O₁₂ dilapisi dengan isi Ag yang berbeda

Kesimpulan

Bahan anoda bulat Li₄ Ti₅ O₁₂ Komposit /Ag dengan densitas tap yang tinggi dibuat dengan metode hidrotermal berbantuan sol-gel. Uji elektrokimia menunjukkan bahwa jumlah lapisan Ag yang tepat dapat secara signifikan meningkatkan konduktivitas elektronik Li₄ Ti₅ O₁₂ dan meningkatkan stabilitas siklus. Kandungan perak yang optimal adalah 5wt.%, yang dapat menghasilkan kinerja elektrokimia yang sangat baik. Namun, kandungan perak yang berlebihan akan menyebabkan sifat elektrokimia material menjadi lebih buruk. Oleh karena itu, Li bola berlapis Ag yang sesuai₄ Ti₅ O₁₂ komposit adalah bahan penyimpanan lithium yang unggul dengan kapasitas tinggi dan keamanan yang sangat baik, dan memiliki potensi nyata sebagai bahan yang menjanjikan dalam baterai lithium ion daya.