Modyfikowany powierzchniowo tlenek litowo-tytanowy, o strukturze spinelu, jako materiał elektrodowy w ogniwie litowo-jonowym

Głównym celem niniejszej rozprawy doktorskiej było zbadanie wpływu różnych modyfikacji powierzchniowych (grafenowych, cynowych, miedziowych, miedziowo-srebrowych oraz srebrowych) na właściwości elektrochemiczne tlenku litowo-tytanowego. Korzystając z technik elektrochemicznych tj. chronopotencjometria, chronowoltamperometria cykliczna i elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna udało mi się opisać i po części wytłumaczyć zachowanie poszczególnych kompozytów w ogniwach litowo-jonowych. Analiza elektrochemiczna została dodatkowo podparta badaniami strukturalnymi i morfologicznymi (XRD, SEM oraz, w przypadku kompozytu Li4Ti5O12/5% n-Ag, również TEM i XPS), co pozwoliło mi na wysnucie wniosków odnośnie wpływu morfologii użytej modyfikacji, jak i również materiału bazowego, na właściwości elektrochemiczne analizowanych kompozytów. Najlepszymi parametrami pracy w ogniwach litowo-jonowych charakteryzowały się kompozyty zmodyfikowane powierzchniowo nanocząstkami srebra. Wysokie przewodnictwo elektryczne srebra oraz jednorodność pokrycia powierzchni Li4Ti5O12 spowodowały znaczną poprawę właściwości elektrochemicznych tlenku litowo-tytanowego. Polepszeniu uległy parametry tj. pojemność właściwa podczas rozładowania dużymi wartościami natężeń prądów, odporność na kolejne cykle ładowania/rozładowania i współczynnik dyfuzji jonów Li+ w tlenku litowo-tytanowym. Analizując wszystkie przebadane przeze mnie modyfikacje, wywnioskowałem, że właściwości elektrochemiczne Li4Ti5O12 w dużym stopniu zależą od morfologii materiału bazowego oraz charakteru i morfologii użytej modyfikacji powierzchniowej. Aby materiał elektroaktywny cechował się dobrymi parametrami pracy w ogniwie litowo-jonowym, musi on cechować się: małym i jednorodnym rozmiarem ziaren, małymi rozmiarami krystalitów, dużą powierzchnią aktywną i wysokim przewodnictwem elektrycznym. W przypadku modyfikacji powierzchniowych, aby w znacznym stopniu poprawić parametry pracy materiału bazowego, należy zastosować modyfikację o wysokim przewodnictwie elektrycznym oraz homogennym pokryciu powierzchni materiału aktywnego.

The main aim of this research was to determine the influence of different surface modification (graphene, tin, copper, copper-silver and silver) on electrochemical properties of lithium-titanium oxide. While using variety of electrochemical methods, including chronopotentiometry, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, I was able to describe and partially explain the behavior of individual composites in lithium-ion cells. The electrochemical tests were, in addition, supported by structural and morphological analysis (XRD, SEM and, in the case of Li4Ti5O12/5% n-Ag composite, also TEM and XPS), which allowed me to speculate about the influence of the modification's and base's material morphology on electrochemical properties of analyzed composites. The best performance in lithium-ion cells has been shown by silver nanoparticles-modified composites. High electrical conductivity of silver and homogeneous covering of Li4Ti5O12 surface led to a significant improvement in electrochemical properties of lithium-titanium oxide. The improved parameters included: specific capacity during high-rate discharge, cyclability and Li+ diffusion coefficient in lithium-titanium oxide. While analyzing all examined modifications, I came to a conclusion, that electrochemical properties are highly dependent on morphology of the base material and also on the character and morphology of the used surface modification. For an active material to have good working parameters in lithium-ion cells, it must have small and uniform grain sizes, good crystallinity, large active surface area and high conductivity. In the case of surface modification, to improve the performance of the base material it is needed to use a highly conductive modification with a high degree of coverage on the active material's surface.