The study of functional C/Sn anode nanocomposites for high capacity lithium-ion batteries

Celem niniejszej pracy było zbadanie właściwości funkcjonalnych nanokompozytów anodowych C/Sn otrzymanych w opracowanym procesie równoczesnej pirolizy prekursora węglowego i karboredukcji nanometrycznego tlenku cyny(IV). Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) dzięki zdolności magazynowania dużych ilości energii uważane są za przyszłościowe źródła zasilania. Obecnie są wykorzystywane w wielu urządzeniach codziennego użytku, takich jak telefony komórkowe czy laptopy, jednakże coraz częściej zaczynają być stosowane w odbiornikach o dużym poborze mocy (samochody elektryczne i hybrydowe, samoloty).Jednym ze sposobów udoskonalenia akumulatorów litowo-jonowych jest znalezienie alternatywy dla powszechnie stosowanego jako materiału anodowego grafitu. Cyna dzięki wysokiej teoretycznej pojemności grawimetrycznej i wolumetrycznej wynoszących odpowiednio 993 mAhg-1 i 7313 mAhmL-1, jest jednym z bardzo obiecujących materiałów mogących pełnić rolę anody [1]. Niestety jak w przypadku większości metalicznych materiałów towarzyszą jej znaczne zmiany objętości występujące podczas procesów ładowania i rozładowania baterii, prowadzące do mechanicznych uszkodzeń anody i w konsekwencji do utraty kontaktu elektrycznego pomiędzy materiałem aktywnym, a kolektorem prądowym. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest wykorzystanie nanomateriałów [1] lub zastosowanie przewodzącej węglowej matrycy enkapsulującej ziarna cyny i buforującej zmiany jej objętości. W ramach badań przeprowadzono proces mający na celu uzyskanie nanokompozytu anodowego C/Sn. Otrzymane powłoki węglowe uzyskano na drodze pirolizy prekursora węglowego, otrzymanego w procesie kleikowania skrobi z nanometrycznym tlenkiem cyny (IV).Otrzymane nanokompozyty C/Sn poddano komplementarnym badaniom fizykochemicznym z wykorzystaniem m.in. technik analizy termicznej (TA) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), oraz badaniom elektrochemicznym tj.: pomiarom przewodnictwa elektrycznego (EC), woltamperometrii cyklicznej (CV) oraz testom w ogniwach elektrochemicznych.The aim of this study was to investigate the properties of functional C/Sn anode nanocomposites obtained in developed process of simultaneous carbon precursor pyrolysis and carboreduction of nanosized tin oxide(IV). Lithium-ion batteries (Li-ion) with storage capacity of large amounts of energy are considered forward-looking power supply. They are currently used in many everyday devices such as mobile phones and laptops, but increasingly are being used in receivers for high-power applications (electric and hybrids cars, airplanes). One way to improve lithium-ion batteries is to find an alternative to the commonly used graphite anode. Tin with high theoretical gravimetric and volumetric capacity respectively of 993 mAhg-1 and 7313 mAhmL-1 is one of the very promising materials to serve as the anode [1]. Unfortunately, as in the case of most metallic materials electrochemical process is accompanied by significant volume changes that occurs during charging and discharging of the cell, leading to mechanical damage to the anode and, consequently, to a loss of electrical contact between the active material and current collector. One way to solve this problem is the use of nanomaterials [1] and/or the use of conductive carbon matrix encapsulating tin nanograins to buffer volume changes. In the study, the process was conducted with the aim of obtaining C/Sn anode nanocomposite. The resulting carbon coating is obtained by pyrolysis of a carbon precursor obtained in the process of starch gelatinization of nanosized tin oxide(IV). The resulting C/Sn nanocomposites was complementary characterized by physico-chemical methods including use of techniques of thermal analysis (TA), X-ray diffraction (XRD) and electrochemical testing: measurements of electrical conductivity (EC), cyclic voltammetry (CV) and electrochemical tests of the cells