Детальная информация

В этом исследовании изучается поведение анодов на основе оксида молибдена, полученных методом импульсного электролиза, во время циклов зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов. В то время как максимальная емкость обычных графитовых анодов составляет 372 мА·ч/г, у материалов MoO₂/MoOₓ этот показатель выше. Оксиды переходных металлов обладают большей емкостью, но со временем их структура разрушается, и их эффективность снижается. В данном исследовании основное внимание уделяется изучению эксплуатационных характеристик и лежащих в их основе процессов, определяющих стабильность и эффективность. Один образец порошка оксида молибдена, обозначенный как N1, был получен непосредственно в процессе нестационарного электролиза и остался аморфным. Другой образец, обозначенный как N2, после электролиза был подвергнут отжигу, в результате чего он превратился в кристаллический моноклинный MoO₂ с пространственной группой P2₁/c. Для анализа структуры и формы исследователи использовали рентгеновскую дифрактометрию и сканирующую электронную микроскопию с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией. Благодаря перчаточному боксу, заполненному аргоном, в процессе подготовки образцов не происходило контакта с кислородом. Для электрохимической оценки использовались полуэлементы типа CR2032. Один из электродных составов имел типичное соотношение компонентов: 80 % активного вещества, 10 % технического углерода, 10 % связующего из поливинилиденфторида. Вторая смесь повысила содержание основного компонента до девяноста двух - всего за счет пяти токопроводящих добавок и трех полимеров. Задачи выпускной квалификационной работы: определите фазовый состав и кристалличность обоих образцов с помощью рентгеноструктурного анализа; используя СЭМ-ЭД, изучите, как N1 и N2 отличаются по форме, размерам зерен и химическому составу. Изучите структуру поверхности и распределение по размерам с помощью электронной визуализации в сочетании со спектроскопией. В результате выявляются различные закономерности как в форме, так и в атомном составе образцов. Каждый метод позволяет получить дополнительные сведения о физических свойствах и присутствующих элементах. Собранные данные выявляют различия, которые не очевидны при стандартных методах наблюдения. При изготовлении композитных электродов используются две различные пропорции связующего по отношению к активному материалу. Оцениваем эффективность работы каждого типа электродов, проверяем их способность сохранять работоспособность на протяжении повторяющихся фаз зарядки и разрядки. Производительность отслеживается на протяжении 100 полных циклов, уделяя особое внимание возможности хранения и постоянству подачи энергии. Эффективность при передаче заряда тщательно измеряется, выявляя различия между материалами при длительном напряжении. Тщательное наблюдение за последствиями многократного использования позволяет выявить, какие электроды изнашиваются быстрее других. Цикл за циклом изучается сохранение емкости, что позволяет получить представление о долгосрочных тенденциях надежности. Анализ графиков dQ /dV показывает, преобладают ли реакции интеркаляции или преобразования. Характер пиков напряжения отличает один механизм от другого. Резкие изменения обычно указывают на процессы преобразования. Более широкие пики свидетельствуют о интеркалировании. Форма каждой кривой дает представление о химическом составе. Анализ направлен на выявление изменений, происходящих в ходе циклов. Четкие сигнатуры помогают отделить перекрывающиеся эффекты. Характер изменений зависит от реакции материала. Ясность достигается при сравнении нескольких наборов данных. Интерпретация во многом зависит от стабильности характеристик с течением времени. Одна из причин различий в поведении при электрических испытаниях заключается в разнице между формой и внутренней структурой. Подтверждением того, что в N1 отсутствует кристаллическая упорядоченность, служит рентгеноструктурный анализ, показавший лишь широкий пик при 25–30° 2θ. После нагревания вещество полностью преобразуется в моноклинную структуру MoO₂, о чем свидетельствуют четкие дифракционные пики, связанные с определенными плоскостями кристаллической решетки, такими как (011), (020) и (211). Данные энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии указывают на то, что в N1 соотношение кислорода и молибдена составляет около 2,0, а в N2 резко возрастает до 2,6–3,1, что указывает на образование оксидов или остаточных соединений кислорода после термической обработки. При заряд-разрядных испытаниях оба материала, полученные из смеси в соотношении 80:10:10, показали слабую и нестабильную отдачу в течение первых пяти циклов, при этом КПД не превышал 40 %. Несмотря на схожую структуру, смесь в соотношении 92:05:03 показала гораздо более высокую начальную емкость. Если у N1-92 она составляла от 552 до 791 мА·ч/г, то у N2-92 — от 375 до 472 мА·ч/г. После многократного использования разница стала еще заметнее. Аморфные версии теряли большую часть емкости в течение 100 циклов — к середине теста оставалось всего от 3,6 до 6,8 %. Кристаллические формы сохраняли емкость лучше: N2-92 сохранял более четверти своей емкости даже в конце цикла, достигнув 98,5 % эффективности после 30-го цикла. Термическая обработка превращает аморфный MoOₓ, полученный методом динамического электролиза, в стабильный кристаллический MoO₂ — это ключевой фактор, обеспечивающий долговечность литий-ионного анода при многократном использовании. Благодаря плотно упакованной рутильной структуре MoO₂ при поглощении лития увеличивается в объеме лишь на 3 %, что позволяет ионам проникать внутрь и выходить наружу, не разрушая материал. Поведение электрода зависит как от кристаллической структуры, так и от соотношения компонентов. Это исследование показывает, что их совокупное влияние напрямую влияет на характеристики аккумулятора. Несмотря на то, что оксид быстро формируется в меняющихся условиях, при последующей термической обработке он приобретает более стабильные свойства, что указывает на перспективный способ создания прочных отрицательных электродов с высокой емкостью.

This research explores how molybdenum oxide-based anodes - produced through pulsed electrolysis - behave during charging and discharging cycles in lithium-ion batteries. While typical graphite anodes max out at 372 mAh/g, these MoO₂/MoOₓ materials aim higher. Although transition metal oxides offer greater capacity, they often fall short due to breakdowns in structure over time. Here, the focus lies on understanding both performance traits and underlying processes that govern stability and efficiency. One sample of molybdenum oxide powder, labeled N1, came straight from non-stationary electrolysis and remained amorphous. Another, named N2, went through annealing afterward - this changed it into crystalline monoclinic MoO₂, under space group P2₁/c. For structure and shape analysis, researchers used X-ray diffraction alongside scanning electron microscopy equipped with energy-dispersive spectroscopy. The testing environment stayed oxygen-free throughout cell preparation, thanks to an argon-filled glovebox. Cells took the form of CR2032 coin-style half-units during electrochemical evaluation. One electrode mix followed typical ratios: 80 percent active substance, ten carbon black, ten PVDF binder. A second blend pushed the main component higher - ninety-two - with just five conductive additive and three polymer. Tasks of the final qualification work: determine the phase composition and crystallinity of both samples via XRD analysis; using SEM-EDS, explore how N1 and N2 differ in shape, grain dimensions, and chemical makeup. Examine surface structure alongside size distribution through electron imaging paired with spectroscopy. What emerges reveals distinct patterns in both form and atomic content between samples. Each method contributes complementary details on physical features and elements present. Data collected highlights variations not obvious under standard observation techniques Build composite electrodes using two distinct proportions of binder relative to active material. Assessing how well each electrode type performs, testing their ability to maintain performance across repeated charging and discharging phases. Performance tracked through 100 full cycles, focusing on storage capability alongside consistency in energy delivery. Efficiency during charge transfer measured carefully, revealing differences between materials under prolonged stress. Repeated use impacts observed closely, highlighting which electrodes degrade faster than others. Capacity retention examined cycle by cycle, offering insight into long-term reliability trends. Examining dQ/dV plots reveals whether intercalation or conversion reactions dominate. Voltage peak patterns distinguish one mechanism from the other. Sharp features typically signal conversion processes. Broader humps suggest intercalation behavior. Each curve shape gives clues about underlying chemistry. Analysis focuses on where changes occur across cycles. Distinct signatures help separate overlapping effects. Patterns evolve depending on material response. Clarity emerges when comparing multiple datasets. Interpretation relies heavily on feature stability over time One reason behaviors vary under electrical tests lies in differences between form and internal layout. Confirmation that N1 lacks crystal order comes from XRD, showing just a wide bump around 25–30° 2θ. After heating, the substance transforms completely, matching monoclinic MoO₂ through clear diffraction peaks tied to specific lattice planes like (011), (020), up to (211). Signals from EDS point to an oxygen-to-molybdenum proportion close to 2.0 in N1, yet rise sharply to 2.6–3.1 in N2, hinting at oxide development or leftover oxygen compounds after thermal processing. When put through charge-discharge routines, both materials using the 80:10:10 mix showed weak, erratic output across five early cycles, starting with efficiency measures beneath 40%. Though built similarly, the 92:05:03 mix showed far greater initial output. Where N1-92 hit between 552 and 791 mAh/g, N2-92 managed 375 to 472. After repeated use, differences sharpened. Amorphous versions lost most power within 100 rounds - just 3.6 to 6.8 percent left by mid-test. Crystalline forms held firm; N2-92 kept over a quarter of its strength even late in cycling, crossing 98.5 percent efficiency after round thirty. Heat treatment transforms amorphous MoOₓ, made through dynamic electrolysis, into stable crystalline MoO₂ - a key factor behind durable lithium-ion anode function over many cycles. With its tightly packed rutile structure, MoO₂ swells only slightly during lithium uptake - around 3% - allowing ions to move in and out without breaking down the material. Electrode behavior depends on both crystal makeup and how components are blended; this study shows their combined effect shapes battery outcomes clearly. Though formed rapidly under shifting current conditions, the oxide gains lasting utility when heated afterward, pointing to a practical route for building robust, high-storage negative electrodes.