nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2023-18-2-66-75nguphys-262Research ArticleФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА, ПОЛУПРОВОДНИКОВ, НАНОСТРУКТУРSOLID-STATE AND SEMICONDUCTOR PHYSICS, PHYSICS OF NANOSTRUCTURESИспользование композитов на основе МУНТ и Si в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторахInvestigation of Composites Based on MWCNTs and Si as an Anode Material in Lithium-ion BatteriesЗаворинА. В.ZavorinA. V.

Алексей Валерьевич Заворин - аспирант

Новосибирск

Alexey V. Zavorin - Post-Graduate Student

Novosibirsk

zavorin@catalysis.ruМосеенковС. И.MoseenkovS. I.

Сергей Иванович Мосеенков - кандидат химических наук

Новосибирск

Sergey I. Moseenkov - Candidate of Chemical Sciences

Novosibirsk

moseenkov@catalysis.ruСтоляроваС. Г.StolyarovaS. G.

Светлана Геннадьевна Столярова - кандидат химических наук

Новосибирск

Svetlana G. Stolyarova - Candidate of Chemical Sciences, Researcher

Novosibirsk

sv.stolyarova93@gmail.comОкотрубА. В.OkotrubA. V.

Александр Владимирович Окотруб - доктор физико-математических наук

Новосибирск

Alexander V. Okotrub - Doctor of Science (Physics and Mathematics)

Novosibirsk

spectrum@niic.nsc.ruКузнецовВ. Л.KuznetsovV. L.

Владимир Львович Кузнецов - кандидат химических наук

Новосибирск

Vladimir L. Kuznetsov - Candidate of Chemical Sciences

Novosibirsk

kuznet@catalysis.ruИнститут катализа СО РАН; Новосибирский государственный университетРоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RAS; Novosibirsk State UniversityRussian FederationИнститут катализа СО РАНРоссияBoreskov Institute of Catalysis SB RASRussian FederationИнститут неорганической химии СО РАНРоссияNikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RASRussian Federation2023091220231826675Copyright © Заворин А.В., Мосеенков С.И., Столярова С.Г., Окотруб А.В., Кузнецов В.Л., 20232023Заворин А.В., Мосеенков С.И., Столярова С.Г., Окотруб А.В., Кузнецов В.Л.Zavorin A.V., Moseenkov S.I., Stolyarova S.G., Okotrub A.V., Kuznetsov V.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nguphys.elpub.ru/jour/article/view/262

В работе проведено исследование возможности использования композитов на основе многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ), декорированных частицами кремния (Si) и карбида кремния (SiC) в качестве анодного  материала в литий-ионных источниках тока. Композиты МУНТ-Si и МУНТ-SiC (с различным соотношением  Si/SiC) получали путем высокотемпературной термической обработки МУНТ-Si с варьированием температуры  прогрева (1040 и 1350 °С). Структура и фазовый состав исследуемых композитов были охарактеризованы с использованием методов ПЭМ и РФА. Определение удельной емкости композитов в качестве анодного материала  проводили при плотностях тока от 0,05 до 2 А/г.

In this work, we studied the possibility of using composites based on multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) decorated with silicon (Si) and silicon carbide (SiC) particles as an anode material in lithium-ion current sources. MWCNTSi and MWCNT-SiC composites (with different Si/SiC ratios) were obtained by high-temperature heat treatment of  MWCNT-Si at different temperatures (1040 and 1350 °C). The structure and phase composition of the composites were  characterized by TEM and XRD methods. The determination of the specific capacity of composites as an anode material  was carried out at current densities from 0,05 to 2 A/g.

литий-ионный аккумулятормногослойные углеродные нанотрубкикремнийкарбид кремнияLi-ion batterymulti-walled carbon nanotubessiliconsilicon carbideРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания Института катализа СО РАН (проект АААА-А21-121011390054-1). Исследования выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Национальный центр исследования катализаторов». Элетрохимические испытания композитов проводили в Институте неорганической химии СО РАН в рамках проекта 21031700314-5. Авторы благодарят А. В. Ищенко за исследования композитов МУНТ-Si, МУНТ-SiC-1040 °C, МУНТ-SiC-1350 °С методом электронной микроскопии и Ц.-О. Цэндсурэна за исследования МУНТ, МУНТ-Si, МУНТ-SiC-1040 °C, МУНТ-SiC-1350 °С методом РФАThis work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the governmental order for Boreskov Institute of Catalysis (project АААА-А21-121011390054-1). The studies were carried out using facilities of the shared research center “National center of investigation of catalysts” at Boreskov Institute of Catalysis. Electrochemical tests of composites were carried out at the Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS, within the framework of the project 21031700314-5. The authors are grateful to Ishchenko A.V. for the TEM characterization of MWCNT-Si, MWCNT -SiC-1040 °C, MWCNT -SiC-1350 °С composites and Tsendsuren Tsog-Ochir for studies of MWCNTs, MWCNT-Si, MWCNT -SiC-1040 °C, MWCNT -SiC-1350 °С by XRD method.Referencesde las Casas C., LiW. A Review of Application of Carbon Nanotubes for Lithium Ion Battery Anode Material // Journal of Power Sources. 2012. Vol. 208. P. 74–85. doi:10.1016/j.jpowsour.2012.02.013de las Casas C., Li W. A Review of Application of Carbon Nanotubes for Lithium Ion Battery Anode Material. Journal of Power Sources 2012, 208, 74–85, doi:10.1016/j.jpowsour.2012.02.013.Lahiri I., Choi W. Carbon Nanostructures in Lithium Ion Batteries: Past, Present, and Future // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2013. Vol. 38. P. 128–166. doi:10.1080/10408436.2012.729765Lahiri I., Choi W. Carbon Nanostructures in Lithium Ion Batteries: Past, Present, and Future. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 2013, 38, 128–166, doi:10.1080/10408436.2012.729765.Sehrawat P., Julien C., Islam S. S. Carbon Nanotubes in Li-Ion Batteries: A Review // Materials Science and Engineering: B. 2016. Vol. 213. Vol. 12–40. doi:10.1016/j.mseb.2016.06.013Sehrawat P., Julien C., Islam S. S. Carbon Nanotubes in Li-Ion Batteries: A Review. Materials Science and Engineering: B 2016, 213, 12–40, doi:10.1016/j.mseb.2016.06.013.Sun X., Shao C., Zhang F., Li Y., Wu Q.-H., Yang Y. SiC Nanofibers as Long-Life Lithium-Ion Battery Anode Materials // Front. Chem. 2018. Vol. 6, № 166. doi:10.3389/fchem.2018.00166Sun X., Shao C., Zhang F., Li Y., Wu Q.-H., Yang Y. SiC Nanofibers as Long-Life Lithium-Ion Battery Anode Materials. Front. Chem. 2018, 6, 166, doi:10.3389/fchem.2018.00166.Sun K., Wang T., Gong W., Lu W., He X., Eddings E. G., Fan M. Synthesis and Potential Applications of Silicon Carbide Nanomaterials / Nanocomposites // Ceramics International. 2022. Vol. 48. P. 32571–32587. doi:10.1016/j.ceramint.2022.07.204Sun K., Wang T., Gong W., Lu W., He X., Eddings E. G., Fan M. Synthesis and Potential Applications of Silicon Carbide Nanomaterials / Nanocomposites. Ceramics International 2022, 48, 32571–32587, doi:10.1016/j.ceramint.2022.07.204.Park M.-H., Kim M. G., Joo J., Kim K., Kim J., Ahn S., Cui Y., Cho J. Silicon Nanotube Battery Anodes. Nano Letters 2009, 9, 3844–3847, doi:10.1021/nl902058c.Park M.-H., Kim M. G., Joo J., Kim K., Kim J., Ahn S., Cui Y., Cho J. Silicon Nanotube Battery Anodes. Nano Letters 2009, 9, 3844–3847, doi:10.1021/nl902058c.Li P., Zhao G., Zheng X., Xu X., Yao C., Sun W., Dou S. X. Recent Progress on Silicon-Based Anode Materials for Practical Lithium-Ion Battery Applications // Energy Storage Materials. 2018. doi:10.1016/j.ensm.2018.07.014Li P., Zhao G., Zheng X., Xu X., Yao C., Sun W., Dou S. X. Recent Progress on Silicon-Based Anode Materials for Practical Lithium-Ion Battery Applications. Energy Storage Materials 2018, doi:10.1016/j.ensm.2018.07.014.Chadha U., Hafiz M., Bhardwaj P., Padmanaban S., Sinha S., Hariharan S., Kabra D., Venkatarangan V., Khanna M., Selvaraj S. K., et al. Theoretical Progresses in Silicon Anode Substitutes for Lithium-Ion Batteries // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 55. P. 105352. doi:10.1016/j.est.2022.105352Chadha U., Hafiz M., Bhardwaj P., Padmanaban S., Sinha S., Hariharan S., Kabra D., Venkatarangan V., Khanna M., Selvaraj S. K., et al. Theoretical Progresses in Silicon Anode Substitutes for Lithium-Ion Batteries. Journal of Energy Storage 2022, 55, 105352, doi:10.1016/j.est.2022.105352.Zhang H., Xu H. Nanocrystalline Silicon Carbide Thin Film Electrodes for Lithium-Ion Batteries // Solid State Ionics. 2014. Vol. 263. P. 23–26. doi:10.1016/j.ssi.2014.04.020Zhang H., Xu H. Nanocrystalline Silicon Carbide Thin Film Electrodes for Lithium-Ion Batteries. Solid State Ionics 2014, 263, 23–26, doi:10.1016/j.ssi.2014.04.020.Fang S., Shen L., Zhang X. Application of Carbon Nanotubes in Lithium-Ion Batteries // Industrial Applications of Carbon Nanotubes. Elsevier, 2017. P. 251–276.Fang S., Shen L., Zhang X. Application of Carbon Nanotubes in Lithium-Ion Batteries. In Industrial Applications of Carbon Nanotubes, Elsevier, 2017, pp. 251–276 ISBN 978-0-323-41481-4.Mathur R. B., Singh B. P., Pande S. Carbon Nanomaterials: Synthesis, Structure, Properties and Applications. CRC press: Boca Raton, 2017.Mathur R.B., Singh B.P., Pande S. Carbon Nanomaterials: Synthesis, Structure, Properties and Applications, CRC press: Boca Raton, 2017, ISBN 978-1-4987-0210-2.Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda D. A Review on Carbon Nanotube: An Overview of Synthesis, Properties, Functionalization, Characterization, and the Application // Materials Science and Engineering: B. 2021. Vol. 268. P. 115095. doi:10.1016/j.mseb.2021.115095Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda D. A Review on Carbon Nanotube: An Overview of Synthesis, Properties, Functionalization, Characterization, and the Application. Materials Science and Engineering: B 2021, 268, 115095, doi:10.1016/j.mseb.2021.115095.Miao M. Electrical Conductivity of Pure Carbon Nanotube Yarns // Carbon. 2011. Vol. 49. P. 3755–3761. doi:10.1016/j.carbon.2011.05.008Miao M. Electrical Conductivity of Pure Carbon Nanotube Yarns. Carbon 2011, 49, 3755–3761, doi:10.1016/j.carbon.2011.05.008.Coppey N., Noé L., Monthioux M., Caussat B. Decorated Carbon Nanotubes by Silicon Deposition in Fluidized Bed for Li-Ion Battery Anodes // Chemical Engineering Research and Design. 2013. Vol. 91. P. 2491–2496. doi:10.1016/j.cherd.2013.01.002Coppey N., Noé L., Monthioux M., Caussat B. Decorated Carbon Nanotubes by Silicon Deposition in Fluidized Bed for Li-Ion Battery Anodes. Chemical Engineering Research and Design 2013, 91, 2491–2496, doi:10.1016/j.cherd.2013.01.002.Kuznetsov V. L., Krasnikov D. V., Schmakov A. N., Elumeeva K. V. In Situ and Ex Situ Time Resolved Study of Multi-Component Fe-Co Oxide Catalyst Activation during MWNT Synthesis: Multi-Component Fe-Co Oxide Catalyst Activation // Phys. Status Solidi B. 2012. Vol. 249. P. 2390–2394. doi:10.1002/pssb.201200120Kuznetsov V. L., Krasnikov D. V., Schmakov A. N., Elumeeva K. V. In Situ and Ex Situ Time Resolved Study of Multi-Component Fe-Co Oxide Catalyst Activation during MWNT Synthesis: Multi-Component Fe-Co Oxide Catalyst Activation. Phys. Status Solidi B 2012, 249, 2390–2394, doi:10.1002/pssb.201200120.Zavorin A. V., Kuznetsov V. L., Moseenkov S. I., Tsendsuren T.-O., Volodin V. A., Galkin P. S., Ishchenko A. V. Chemical Vapor Deposition of Silicon Nanoparticles on the Surface of Multiwalled Carbon Nanotubes // Journal Struct. Chem. 2020. Vol. 61. Vol. 617–627. doi:10.1134/S0022476620040162Zavorin A. V., Kuznetsov V. L., Moseenkov S. I., Tsendsuren T.-O., Volodin V. A., Galkin P. S., Ishchenko A. V. Chemical Vapor Deposition of Silicon Nanoparticles on the Surface of Multiwalled Carbon Nanotubes. J Struct Chem 2020, 61, 617–627, doi:10.1134/S0022476620040162.Заворин А. В. , Мосеенков С. И., Селютин А. Г., Серкова А. Н., Цэндсурэн Ц.-О., Кузнецов В. Л. Влияние термической обработки на структуру композитов МУНТ-Si. 2022. С. 76–77 [Электронный ресурс]. URL: http://Conf.Nsc.Ru/SRTCFM-2022/En/InvitationZavorin A. V., Moseenkov S. I., Selyutin A. G., Serkova A. N., Tsendsuren T.-O., Kuznetsov V. L. Effect of Heat Treatment on the Structure of MWCNT-Si Composites. 2022. P. 76‑77. [Electronic resource]. URL: http://Conf.Nsc.Ru/SRTCFM-2022/En/Invitation

The authors declare that there are no conflicts of interest present.