Вплив перехідних металів (Ti, Co, Ni та Mn) на електрохемічні характеристики катодних композитних матеріялів: синтеза та характеризація потрійних композитів xLi2TiO3, yLiCoO2 й (1−x−y)LiNi1/2Mn1/2O2

Випуски $\rightarrow$ Том 27, випуск 3 (2026)

Вплив перехідних металів (Ti, Co, Ni та Mn) на електрохемічні характеристики катодних композитних матеріялів: синтеза та характеризація потрійних композитів xLi₂TiO₃, yLiCoO₂ й (1−x−y)LiNi_1/2Mn_1/2O₂

МОНАЙДЖЕМІ М., МОЛЛААМІН Ф.

Університет Кастамону, 37150 Кастамону, Туреччина

Отримано / остаточна версія: 31.01.2026 / 20.07.2026 Завантажити  PDF

Анотація
Проґрес у фізиці металів показав, що як металічна провідність, так і схильність металів до утворення оксидів визначаються їхньою електронною структурою. Сучасні теорії, такі як зонна теорія, пояснюють, що металічна провідність виникає через наявність делокалізованих електронів у частково заповнених енергетичних зонах. Метали, які легко втрачають електрони, як правило, утворюють стабільні оксиди, тоді як метали, які сильніше утримують свої електрони, демонструють нижчу реакційну здатність до Оксиґену. Отже, метали з високою електропровідністю зазвичай мають меншу схильність до утворення стабільних оксидів. Однак подальший проґрес у фізиці металів та оксидів показав, що деякі метали, такі як Алюміній і Титан, утворюють тонкі, стабільні, електроізоляційні шари оксидів. На основі цих підходів ми синтезували потрійні композити з кількох оксидів перехідних металів, які використовуються для літій-йонних акумуляторів. Хоча літійові оксиди перехідних металів є високоємнісними електрохемічно активними матеріялами, їхня структурна нестабільність за високих напруг (наприклад, > 4,3 В) неґативно впливає на продуктивність акумулятора. Щоб вирішити цю проблему, ми пропонуємо потрійний композитний матеріял, здатний утворювати структурну фазу із середньою ентропією та частковим катіонним безладом після початкового делітіювання (видалення літію). Метою цієї роботи є синтеза композитної сполуки з нижчою вартістю та вищою циклічністю, ніж у комерційно доступних катодних матеріялів для літій-йонних акумуляторів. Замість використання лише LiCoO₂ було використано потрійну конструкцію композитів на основі оксидів перехідних металів, які містять Li₂TiO₃ та LiNi_1/2Mn_1/2O₂, що зменшило вміст Кобальту в катодному матеріялі. В результаті синтезована сполука має понижену вартість і токсичність, пов’язані з Кобальтом, сприяючи чистішому та безпечнішому навколишньому середовищу. Виготовлено десять зразків із використанням складів xLi₂TiO₃, yLiCoO₂ й (1−x−y)LiNi_1/2Mn_1/2O₂. Як виявлено за допомогою раманівської спектроскопії, рентґенівської дифракції та електрохемічної аналізи, композит LiNi_1/6Mn_1/6Ti_1/3Co_1/3O₂ демонструє чудові електрохемічні характеристики, зокрема вищу початкову зарядну та розрядну ємність і поліпшену циклічність порівняно з традиційними катодними матеріялами.

Ключові слова: літій-йонні акумулятори (батареї), катодні матеріяли, Li₂TiO₃, LiCoO₂, LiNi_1/2Mn_1/2O₂, потрійні композити.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.27.03.395

Citation: M. Monajjemi and F. Mollaamin, Effects of Transition Metals (Ti, Co, Ni and Mn) on the Electrochemical Performance of Cathode Composite Materials: Synthesis and Characterisation of xLi₂TiO₃, yLiCoO₂, and (1−x−y)LiNi_1/2Mn_1/2O₂ Ternary Composites, Progress in Physics of Metals, 27, No. 3: 395–*** (2026)

Цитована література

Y. Makimura and T. Ohzuku, J. Power Sources, 119–121: 156–160 (2003); https://doi.org/10.1016/S0378-7753(03)00170-8
L. Zhang, K. Takada, N. Ohta, K. Fukuda, and T. Sasaki, J. Power Sources, 146, Nos. 1–2: 598–601 (2005); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.03.122
S. Gopukumar, K.Y. Chung, and K.B. Kim, Electrochim. Acta, 49, No. 5: 803–810 (2004); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2003.09.034
Y.K. Sun, Y. Bae, and S.T. Myung, J. Appl. Electrochem., 35: 151–156 (2005); https://doi.org/10.1007/s10800-004-6197-5
T. Ohzuku and Y. Makimura, Chem Lett, 30, No. 8: 744–745 (2002); https://doi.org/10.1246/cl.2001.744
Y. Makimura and T. Ohzuku, J. Power Sources, 119–121: 156–160 (2003); https://doi.org/10.1016/S0378-7753(03)00170-8
M. Monajjemi, F. Mollaamin, S. Shahriari, Z. Khalaj, H. Sakhaeinia, and A. Alihosseini, Russ. J. Phys. Chem. B, 18, No. 4: 1090–1112 (2024); https://doi.org/10.1134/S1990793124700465
M. Monajjemi, S. Mohammadi, S. Shahriari, and F. Mollaamin, Russ. J. Phys. Chem. B, 18, No.1: 308–324 (2024); https://doi.org/10.1134/S1990793124010342
X. Xiang and W. Li, Electrochim. Acta, 127: 259–265(2014); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.02.037
R. Yu, Y. Lin, and Z. Huang, Electrochim. Acta, 173, No. 10: 515–522 (2015); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.05.084
Y. Liu, O. Wang, Y. Lu, B. Yang, M. Su, Y. Gao, and A. Dou, J. Alloys Compd., 638, No. 25: 1–6 (2015).
E. Zhao, X. Liu, Z. Hu, L. Sun, and X. Xiao, J. Power Sour, 294, No. 30: 141–149 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.06.059
D. Xiang, L.N. Xiao, Y. Li, Z.F. Tang, J.W. Wan, Z.Y. Wen, and C.H. Chen, J. Power Sources, 390, No. 30: 13–19 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.04.034
K. Yang, L.Z. Fan, J. Guo, and X. Qu, Electrochim. Acta, 63, No. 29: 363–368 (2012); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.12.121
B. Ramasubramanian, S. Sundarrajan, V. Chellappan, M.V. Reddy, S. Ramakrishna, and K. Zaghib, Batteries, 8, No. 10: 133 (2022); https://doi.org/10.3390/batteries8100133
J. Tian, R.Xiong, W. Shen, and J. Lu, Appl. Energy, 291: 116812 (2021); https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116812
J. Kumar, R.R. Neiber, J. Park, R.A. Soomro, G.W. Greene, S.A. Mazari, H.Y. Seo, J.H. Lee, M. Shon, and D.W. Chang, Chem. Eng. J., 431: 133993 (2022); https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133993
H.-D. Yang, Y.-Y. Kang, P.-P. Zhu, Q.-W. Chen, L. Yang, and J.-P. Zhou, J. Alloys Compd., 872: 159759 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159759
M. Koudriachova, Chem. Phys. Lett., 458: 108–112 (2008); https://doi.org/10.1016/j.cplett.2008.04.024
W. Mackrodt, J. Solid State Chem., 142, No. 2: 428–439 (1999); https://doi.org/10.1006/jssc.1998.8058
D.I. Shlimas, A.L. Kozlovskiy, and M.V. Zdorovets, J. Mater. Sci. Mater. Electron., 32, No. 9: 7410–7422 (2021); https://doi.org/10.1007/s10854-021-05454-z
K. Jiang, X. Hu, H. Sun, D. Wang, X. Jin, and Y. Ren, Chem. Mater., 16, No. 22: 4324–4329 (2004); https://doi.org/10.1021/cm0494148
D.R. Zhang, H.L. Liu, R.H. Jin, N.Z. Zhang, Y.X. Liu, and Y.S. Kang, J. Ind. Eng. Chem., 13, No. 1: 92–96 (2007).
L.H. Yang, C. Dong, and J. Guo, J. Power Sources, 175, No. 1: 575–580 (2008); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.09.002
C. Julien, L. El-Farh, S. Rangan, and M. Massot, J. Sol-Gel Sci. Technol., 15, No. 1: 63–72 (1999); https://doi.org/10.1023/A:1008765030990
Y.-S. Lee, Y.-K. Sun, and K.-S. Nahm, Solid State Ionics, 109, Nos. 3–4: 285–294 (1998); https://doi.org/10.1016/S0167-2738(98)00085-X
B.E. Yoldas, J. Sol–Gel Sci. Technol., 1: 65–77 (1993).
L. Li, H. Yu, and Y. Chen, Atmosphere, 13: 1959 (2022); https://doi.org/10.3390/atmos 13121959
F. Izumi and K. Momma, Solid State Phenom., 130: 15–20 (2007); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.130.15
M. Monajjemi, Struct. Chem., 23: 551–580 (2012); https://doi.org/10.1007/s11224-011-9895-8
M. Monajjemi, S. Ketabi, and A. Amiri, Russ. J. Phys. Chem., 80: S55-S62(2006); https://doi.org/10.1134/S0036024406130103
M. Monajjemi, J. Molecular Model., 20: (2014); https://doi.org/10.1007/s00894-014-2507-y
M. Monajjemi and J.E. Boggs, J. Phys. Chem. A, 117: 1670–1684 (2013); https://doi.org/10.1021/jp312073q
M. Monajjemi, M. Heshmata, and H.H. Haeria, Biochem., 71: S113–S122 (2006); https://doi.org/10.1134/S0006297906130190
M. Monajjemi, Chemical Phys., 425: 29–45 (2013); https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2013.07.014
M. Monajjemi, Biophys. Chem., 207: 114–127 (2015); https://doi.org/10.1016/j.bpc.2015.10.003
F. Mollaamin, and M. Monajjemi, Phys. Chem. Liquids, 50: 596–604 (2012); https://doi.org/10.1080/00319104.2011.646444
L. Mahdavian, M. Monajjemi, and N. Mangkorntong, Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, 17: 484–495 (2009); https://doi.org/10.1080/15363830903130044
M. Monajjemi, J. Molecular Liquids, 230: 461–472(2017); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.01.044
M. Monajjemi, L. Mahdavian, and F. Mollaamin, Bull. Chem. Soc. Ethiopia, 22: 277–286 (2008); https://doi.org/10.4314/bcse.v22i2.61299
M. Monajjemi, W.J. Robert, and J.E. Boggs, Chemical Physics, 433: 1–11 (2014); https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2014.01.017
H. Jalilian and M. Monajjemi, Jap. J. Appl. Phys., 54: 085101 (2015); https://doi.org/10.7567/JJAP.54.085101
M. Monajjemi, Theoretical Chemistry Accounts, 134: 1–22 (2015); https://doi.org/10.1007/s00214-015-1668-9
M. Monajjemi, F. Naderi, F. Mollaamin, and M. Khaleghian, J. Mexican Chem. Soc., 56: 207–211 (2012); https://doi.org/10.29356/jmcs.v56i2.323
M. Monajjemi, S. Bagheri, and M.S. Moosavi, Molecules, 20: 21636–21657 (2015); https://doi.org/10.3390/molecules201219769
M. Monajjemi, L. Mahdavian, F. Mollaamin, and B. Honarparvar, Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, 18: 45–55(2010); https://doi.org/0.1080/15363830903291564
M. Monajjemi, S. Ketabi, Z.M. Hashemian, and A. Amiri, Biochem., 71: 1–8 (2006); https://doi.org/10.1134/s0006297906130013
A.R. Ilkhani and M. Monajjemi, Comput. Theoret. Chem., 1074: 19–25 (2015); https://doi.org/10.1016%2Fj.comptc.2015.10.006
F. Mollaamin, J. Najafpour, S. Ghadami, M.S. Akrami, and M. Monajjemi, J. Comp. Theoret. Nanosci., 11: 1290–1298 (2014).
M. Monajjemi, V.S. Lee, M. Khaleghian, B. Honarparvar, and F. Mollaamin, J. Phys. Chem. C, 11: 15315–15330 (2010); https://doi.org/10.1021/jp104274z
F. Mollaamin, and M. Monajjemi, J. Comp. Theoret. Nanosci., 9, No. 4: 597–601 (2012); https://doi.org/10.1166/jctn.2012.2067
S. Shahriari, N.S. Soofi, F. Farzi, R. Esmkhani, and M. Monajjemi, J. Comp. Theoret. Nanosci., 13, No. 5: 3070–3082 (2016); https://doi.org/10.1166/JCTN.2016.4959
W. Geffcken and E. Berger, Deutsches Reichs Patent, 736: 411 (1939) (assigned to Jenaer Glaswerk Schott & Gen).
C.H. Shek and G.M. Lin, Nanostruct. Mater., 11, No. 7: 831–835 (1999).
S. Bruni, F. Cariati, M. Casu, A. Lai, A. Musinu, G. Piccaluga, and S. Solinas, Nanostruct. Mater., 11, No. 5: 573(1999).
G. Herzberg, Van Nostrand Company (New York: 1945).
C.V. Ramana, A. Mauger, F. Gendron, C.M. Julien, and K. Zaghib, J. Power Sources, 187, No. 2: 555–564 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.11.042
W. Paraguassu, P.T.C. Freire, V. Lemos, S.M. Lala, L.A. Montoro, and J.M. Rosolen, J. Raman Spectrosc., 36: 213 (2005); https://doi.org/10.1002/jrs.1278
L. Popović, B. Manoun, D. de Waal, M.K. Nieuwoudt, and J.D. Comins, J. Raman Spectrosc., 34: 77 (2003); https://doi.org/10.1002/jrs.954
E. Smith and G. Dent, Modern Raman Spectroscopy — A Practical Approach (John Wiley & Sons: 2005).
D.S. Artem, L. Kozlovskiy, and M. Zdorovets, Crystals, 11, No. 7: 753 (2021); https://doi.org/10.3390/cryst11070753
T. Ohzuku, T. Yanagawa, and M. Kouguchi, J. Power Sources, 68: 131–134 (1997); https://doi.org/10.1016/S0378-7753(97)02516-0
N. Yabuuchi, S. Kumar, H.H. Li, V. Kim, and Y. Shao-Horn, J. Electrochem. Soc., 154: A566 (2007); https://doi.org/10.1149/1.2724734
T. Ohzuku, A. Ueda, M. Nagayama, Y. Iwakoshi, and H.Komori, Electrochim. Acta, 38: 1159–1167 (1993); https://doi.org/10.1016/0013-4686(93)80046-3
K.M. Shaju, G.V. Subba Rao, and B.V.R. Chowdari, Electrochim. Acta, 48, No. 2: 145–151 (2002); https://doi.org/10.1016/S0013-4686(02)00593-5
G.M. Ehrlich, D. Linden, Handbook of Lithium-Ion Batteries (New York: McGraw-Hill: 2002), p. 35.
Z.-G. Yang, J.-L. Zhang, M.C.W. Kintner-Meyer, X.-C. Lu, D.-W. Choi, J.P. Lemmon, and J. Liu, Chem. Rev., 111, No. 5: 3577–3613 (2011); https://doi.org/10.1021/cr100290v
L. Li, S. Guangyao, X. Qizhen, D. Yanhuai, W. Chengwei, and G. Deshu, Mater. Chem. Phys., 100, Nos. 2–3: 236–240 (2004); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2005.12.035