Mesoporous anatase $TiO_2$ nanoparticles have been synthesized by a hydrothermal method using a tri-block copolymer as a soft template. The resulting $TiO_2$ materials have a high specific surface area of $230\;m^2/g$, a predominant pore size of 6.8 nm and a pore volume of 0.404 mL/g. The electrochemical properties of mesoporous anatase $TiO_2$ for lithium ion battery (LIB) anode materials have been investigated by typical coin cell tests. The initial discharge capacity of these materials is 240 mAh/g, significantly higher than the theoretical capacity (175 mAh/g) of LTO ($Li_4Ti_5O_{12}$). Although the discharge capacity decreases with the C-rate increase, the mesoporous $TiO_2$ is very promising for LIB anode because the surface for the Li insertion is presented significantly with mesopores. Nitrogen doping has a certain effect to control the capacity decrease by improving the electron transport in $TiO_2$ framework.
Jeong Min Lee;Dong Seok Cheong;Sung Hyun Kang;Tirtha Raj Acharya;Eun Ha Choi;Weon Ho Shin
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.37
no.4
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pp.445-450
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2024
The expansion of lithium-ion battery usage beyond portable electronic devices to electric vehicles and energy storage systems is driven by their high energy density and favorable cycle characteristics. Enhancing the stability and performance of these batteries involves exploring solid electrolytes as alternatives to liquid ones. While sulfide-based solid electrolytes have received significant attention for commercialization, research on amorphous-phase glass solid electrolytes in oxide-based systems remains limited. Here, we investigate the glass transition temperatures and sintering behaviors by changing the molecular ratio of Li2O/B2O3 in borate glass comprising Li2O-B2O3-Al2O3 system. The glass transition temperature is decreasing as increasing the amount of Li2O. When we sintered at 450℃, just above the glass transition temperature, the samples did not consolidate well, while the proper sintered samples could be obtained under the higher temperature. We successfully obtained the borate glass ceramics phases by melt-quenching method, and the sintering characteristics are investigated. Future studies could explore optimizing ion conductivity through refining processing conditions, adjusting the glass former-to-modifier ratio, and incorporating additional Li salt to enhance the ionic conductivity.
To improve the electrochemical performances of the cathode materials, boron-doped $LiNi_{0.90}Co_{0.05}Ti_{0.05}O_2$ were synthesized by using concentration gradient precursor. The characteristics of the prepared cathode materials were analyzed by XRD, SEM, EDS, PSA, ICP-OES and electrical conductivity measurement. The electrochemical performances were investigated by initial charge/discharge capacity, cycle stability, C-rate, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The cathode material with 0.5 mol% boron exhibited a capacity of 187 mAh/g (0.5 C) in a voltage range of 2.7~4.3 V(vs. $Li/Li^+$), and an capacity retention of 94.7% after 50 cycles. In the relatively high voltage range of 2.7~4.5 V(vs. $Li/Li^+$), it showed a high capacity of 200 mAh/g and capacity retention of 80.5% after 50 cycles.
The effect of the addition of $Al^{3+}$ dopant on the electrochemical characteristics of $Li_{4}Ti_{5}O_{12}$ was investigated. $Li_{4}Ti_{5}O_{12}$ is known as a 2ero-strain material, and $Li_{3.95}Al_{0.15}Ti_{4.9}O_{12}$ has been manufactured by solid-state reaction with high energy ball milling (HEBM). The samples were heated at 800, 900 and $1000^{\circ}C$ in electric furnace. The structural and surface structures were measured by XRD (X-ray diffraction) and SEM (scanning electron microscopy). Cut-off voltage of charge/discharge cycles was $1.0{\sim}3.0 V$ to investigate reversible capacity, cycle stability and plateau voltage. The reversible capacity of $Li_{3.95}Al_{0.15}Ti_{4.9}O_{12}$ was 138 mAh/g.
Kim, Hyung-Sun;Cho, Byung-Won;Yun, Kyung-Suk;Chun, Hai-Soo
Applied Chemistry for Engineering
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v.7
no.2
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pp.362-370
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1996
The performance of The performance of $Li/V_6O_{13}$ cell and the electrochemical properties of polymer electrolyte based on poly(acrylonitrile)[PAN] was investigated. The ionic conductivity of polymer electrolyte showed $2.3{\times}10^{-3}S/cm$ and the compatibility with lithium electrode was excellent. Also, it showed the electrochemical stability up to 4.3V(vs. $Li^+/Li$). The cell reaction of $Li/V_6O_{13}$ was dominated by the interfacial resistance between $V_6O_{13}$ electrode and polymer electrolyte. The diffusion coefficient of lithium ion within $V_6O_{13}$ was $2.7{\times}10^{-9}{\sim}4.2{\times}10^{-8}cm^2/sec$. The utilization of $V_6O_{13}$ active material was 95% at C/8($50{\mu}A/cm^2$) and 82% at C/4($100{\mu}A/cm^2$), respectively.
Choi, Sung Il;Lee, Ye Min;Jeong, Hui Cheol;Jung, Eun-Jin;Lee, Mi Sun;Kim, Jinyoung;Kim, Yong Ha;Won, Yong Sun
Korean Chemical Engineering Research
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v.56
no.1
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pp.139-142
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2018
Silicon (Si) is a promising anode material for next-generation lithium ion batteries (LIBs) because of its high capacity of 4,200 mAh/g ($Li_{4.4}Si$ phase). However, the large volume expansion of Si during lithiation leads to electrical failure of electrode and rapid capacity decrease. Generally, a binder is homogeneously mixed with active materials to maintain electrical contact, so that Si needs a particular binding system due to its large volume expansion. Polyvinyl alcohol (PVA) is known to form a hydrogen bond with partially hydrolyzed silicon oxide layer on Si nanoparticles. However, the decrease of its cohesiveness followed by the repeated volume change of Si still remains unsolved. To overcome this problem, we have introduced the electrospinning method to weave active materials in a stable nanofibrous PVA structure, where stresses from the large volume change of Si can be contained. We have confirmed that the capacity retention of Si-based LIBs using electrospun PVA matrix is higher compared to the conservative method (only dissolving in the slurry); the $25^{th}$ cycle capacity retention ratio based on the $2^{nd}$ cycle was 37% for the electrode with electrospun PVA matrix, compared to 27% and 8% for the electrodes with PVdF and PVA binders.
Park, Kwang-Muk;Kim, Jae-Hyun;Park, Jin-Yeong;Bang, Sun-Bae
Fire Science and Engineering
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v.32
no.6
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pp.91-99
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2018
Recently, the spread of ESS in Korea has increased and a fire accident has also occurred. By July 2018, there were a total of 7 cases. All 7 cases were ESS systems consisting of lithium-ion batteries and were burned down. Both the automatic fire extinguisher and the fire department were not able to digest. In this paper, the characteristics of ESS fire are analyzed based on recent ESS fire situation and field investigation, and the cause of fire is divided into environmental, electrical and thermal factors. As a result, it was found that the ESS fire was correlated with the installation environment of the system. In the domestic and overseas lithium ion battery test standard and ESS facility standard survey, the trends and differences of domestic and overseas facilities standards were identified. Based on the fire status and field investigationy, and domestic and overseas facility standard survey, measures were suggested to prevent and prevent the spread of fire in ESS fire.
Tin/graphite composites are prepared as anode materials for Li-ion batteries using a dry ball-milling process. The main experimental variables in this work are the ball milling time (0-8 h) and composition ratio (tin:graphite=5:95, 15:85, and 30:70 w/w) of graphite and tin powder. For comparison, a tin/graphite composite is prepared using wet ball milling. The morphology and structure of the different tin/graphite composites are investigated using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and scanning and transmission electron microscopy. The electrochemical properties of the samples are also examined. The optimal dry ball milling time for the uniform mixing of graphite and tin is 6 h in a graphite-30wt.%Sn sample. The electrode prepared from the composite that is dry-ball-milled for 6 h exhibits the best cycle performance (discharge capacity after 50th cycle: 308 mAh/g and capacity retention: 46%). The discharge capacity after the 50th cycle is approximately 112 mAh/g, higher than that when the electrode is composed of only graphite (196 mAh/g after 50th cycle). This result indicates that it is possible to manufacture a tin/graphite composite anode material that can effectively buffer the volume change that occurs during cycling, even using a simple dry ball-milling process.
JAEGEUN LEE;JAEKYUNG LEE;SUNGGI KWON;GYECHOON PARK
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.35
no.3
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pp.336-344
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2024
In this study, a Ni0.9Co0.05Mn0.05(OH)2 precursor used as an anode active material using a black powder leaching solution of a recycled lithium ion battery was prepared through coprecipitation synthesis with co-precipitation time, NH4OH concentration, pH, and stirring time as variables. The characteristics of the prepared powder were analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), particle size analysis (PSA), and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES). It was confirmed that the single crystal thickness of the LiNi1-x-yCoxMnyO2 (NCM) precursor changes depending on the NH4OH concentration and reaction pH value, and thicker single crystals are formed at 2 M NH4OH compared to 1 M and at pH 10.8-11.8 compared to pH 11.8-12.0. NCM precursor particles increased with coprecipitation time, and it was confirmed that the 72 hours NCM precursor had the largest particle size. Through ICP-OES analysis, it was confirmed that the NCM precursor was synthesized with the target composition of Ni2+:Co2+:Mn2+=90:5:5.
Recently, various degradation mechanisms of lithium secondary battery cathode materials have been revealed. As a result, many studies on overcoming the limitation of cathode materials and realizing new electrochemical properties by controlling the degradation mechanism have been reported. Li-rich layered oxide is one of the most promising cathode materials due to its high reversible capacity. However, the utilization of Li-rich layered oxide has been restricted, because it undergoes a unique atomic structure change during the cycle, in turn resulting in unwanted electrochemical degradations. To understand an atomic structure deterioration mechanism and suggest a research direction of Li-rich layered oxide, we deeply evaluated the atomic structure of 0.4Li2MnO3_0.6LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 Li-rich layered oxide during electrochemical cycles, by using an atomic-resolution analysis tool. During a charge process, Li-rich materials undergo a cation migration of transition metal ions from transition metal slab to lithium slab due to the structural instability from lithium vacancies. As a result, the partial structural degradation leads to discharge voltage drop, which is the biggest drawback of Li-rich materials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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