Three-dimensional graphene-Co3O4 cathodes for rechargeable Li-O2 batteries

A three-dimensional (3D) graphene-Co₃O₄ electrode was prepared by a two-step method in which graphene was initially deposited on a Ni foam with Co₃O₄ then grown on the resulting graphene structure. Cross-linked Co₃O₄ nanosheets with an open pore structure were fully and vertically distributed throughout the graphene skeleton. The free-standing and binder-free monolithic electrode was used directly as a cathode in a Li-O₂ battery. This composite structure exhibited enhanced performance with a specific capacity of 2453 mA h g^-1 at 0.1 mA cm^-2 and 62 stable cycles with 583 mA h g^-1 (1000 mA h g_carbon^-1). The excellent electrochemical performance is associated with the unique architecture and superior catalytic activity of the 3D electrode. 

Surface modification of LiV3O8 nanosheets via layer-by-layer self-assembly for high-performance rechargeable lithium batteries

In this work, an economical route based on hydrothermal and layer-by-layer (LBL) self-assembly processes has been developed to synthesize unique Al ₂O₃-modified LiV₃O₈ nanosheets, comprising a core of LiV₃O₈ nanosheets and a thin Al ₂O₃ nanolayer. The thickness of the Al₂O ₃ nanolayer can be tuned by altering the LBL cycles. When evaluated for their lithium-storage properties, the 1 LBL Al₂O ₃-modified LiV₃O₈ nanosheets exhibit a high discharge capacity of 191 mA h g^-1 at 300 mA g^-1 (1C) over 200 cycles and excellent rate capability, demonstrating that enhanced physical and/or chemical properties can be achieved through proper surface modification. © 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Facile synthesis of nanocrystalline LiFePO4/graphene composite as cathode material for high power lithium ion batteries

We describe a simple strategy, which is based on the idea of space confinement, for the synthesis of carbon coating on LiFePO₄ nanoparticles/graphene nanosheets composites in a water-in-oil emulsion system. The prepared composite displayed high performance as a cathode material for lithium-ion battery, such as high reversible lithium storage capacity (158 mA h g^-1 after 100 cycles), high coulombic efficiency (over 97%), excellent cycling stability and high rate capability (as high as 83 mA h g ^-1 at 60 C). Very significantly, the preparation method employed can be easily adapted and be extended as a general approach to sophisticated compositions and structures for the preparation of highly dispersed nanosized structure on graphene. 

Facile Synthesis of Anatase TiO2 Quantum-Dot/Graphene-Nanosheet Composites with Enhanced Electrochemical Performance for Lithium-Ion Batteries

A facile method to synthesize well-dispersed TiO₂ quantum dots on graphene nanosheets (TiO₂-QDs/GNs) in a water-in-oil (W/O) emulsion system is reported. The TiO₂/graphene composites display high performance as an anode material for lithium-ion batteries (LIBs), such as having high reversible lithium storage capacity, high Coulombic efficiency, excellent cycling stability, and high rate capability. The excellent electrochemical performance and special structure of the composites thus offer a way to prepare novel graphene-based electrode materials for high-energy-density and high-power LIBs. 

In situ synthesis of LiV3O8 nanorods on graphene as high rate-performance cathode materials for rechargeable lithium batteries

We developed a facile two-step hydrothermal procedure to prepare hybrid materials of LiV₃O₈ nanorods on graphene sheets. The special structure endows them with the high-rate transportation of electrolyte ions and electrons throughout the electrode matrix, resulting in remarkable electrochemical performance when they were used as cathodes in rechargeable lithium batteries. © 2013 The Royal Society of Chemistry.

An in situ ionic-liquid-assisted synthetic approach to iron fluoride/graphene hybrid nanostructures as superior cathode materials for lithium ion batteries

A tactful ionic-liquid (IL)-assisted approach to in situ synthesis of iron fluoride/graphene nanosheet (GNS) hybrid nanostructures is developed. To ensure uniform dispersion and tight anchoring of the iron fluoride on graphene, we employ an IL which serves not only as a green fluoride source for the crystallization of iron fluoride nanoparticles but also as a dispersant of GNSs. Owing to the electron transfer highways created between the nanoparticles and the GNSs, the iron fluoride/GNS hybrid cathodes exhibit a remarkable improvement in both capacity and rate performance (230 mAh g^-1 at 0.1 C and 74 mAh g^-1 at 40 C). The stable adhesion of iron fluoride nanoparticles on GNSs also introduces a significant improvement in long-term cyclic performance (115 mAh g^-1 after 250 cycles even at 10 C). The superior electrochemical performance of these iron fluoride/GNS hybrids as lithium ion battery cathodes is ascribed to the robust structure of the hybrid and the synergies between iron fluoride nanoparticles and graphene. © 2013 American Chemical Society.

Determination of the thermal parameters of high-power batteries by local heat

A new approach to the determination of the thermal parameters of high-power batteries is introduced here. Application of local heat flux measurement with a gradient heat flux sensor (GHFS) allows determination of the cell thermal parameters in di_erent surface points of the cell. The suggested methodology is not cell destructive as it does not require deep discharge of the cell or application of any charge/discharge cycles during measurements of the thermal parameters of the cell. The complete procedure is demonstrated on a high-power Li-ion pouch cell, and it is verified on a sample with well-known thermal parameters. A comparison of the experimental results with conventional thermal characterization methods shows an acceptably low error. The dependence of the cell thermal parameters on state of charge (SoC) and measurement points on the surface was studied by the proposed measurement approach.

Novel approaches to the synthesis and treatment of cathode materials for lithium-ion batteries

Nous avons mis au point une approche novatrice pour la synthèse d’un matériau de cathode pour les piles lithium-ion basée sur la décomposition thermique de l’urée. Les hydroxydes de métal mixte (NixMnxCo(1-2x)(OH)2) ont été préparés (x = 0.00 à 0.50) et subséquemment utilisés comme précurseurs à la préparation de l’oxyde de métal mixte (LiNixMnxCo(1-2x)O2). Ces matériaux, ainsi que le phosphate de fer lithié (LiFePO4), sont pressentis comme matériaux de cathode commerciaux pour la prochaine génération de piles lithium-ion. Nous avons également développé un nouveau traitement post-synthèse afin d’améliorer la morphologie des hydroxydes. L’originalité de l’approche basée sur la décomposition thermique de l’urée réside dans l’utilisation inédite des hydroxydes comme précurseurs à la préparation d’oxydes de lithium mixtes par l’intermédiaire d’une technique de précipitation uniforme. De plus, nous proposons de nouvelles techniques de traitement s’adressant aux méthodes de synthèses traditionnelles. Les résultats obtenus par ces deux méthodes sont résumés dans deux articles soumis à des revues scientifiques. Tous les matériaux produits lors de cette recherche ont été analysés par diffraction des rayons X (DRX), microscope électronique à balayage (MEB), analyse thermique gravimétrique (ATG) et ont été caractérisés électrochimiquement. La performance électrochimique (nombre de cycles vs capacité) des matériaux de cathode a été conduite en mode galvanostatique.

A detailed study of the lithiation of iron phosphate as well as the development of a novel synthesis of lithium iron silicate as cathode material for lithium-ion batteries

Dans cette thèse nous démontrons le travail fait sur deux matériaux de cathodes pour les piles lithium-ion. Dans la première partie, nous avons préparé du phosphate de fer lithié (LiFePO4) par deux méthodes de lithiation présentées dans la littérature qui utilisent du phosphate de fer (FePO4) amorphe comme précurseur. Pour les deux méthodes, le produit obtenu à chaque étape de la synthèse a été analysé par la spectroscopie Mössbauer ainsi que par diffraction des rayons X (DRX) pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction. Les résultats de ces analyses ont été publiés dans Journal of Power Sources. Le deuxième matériau de cathode qui a été étudié est le silicate de fer lithié (Li2FeSiO4). Une nouvelle méthode de synthèse a été développée pour obtenir le silicate de fer lithié en utilisant des produits chimiques peu couteux ainsi que de l’équipement de laboratoire de base. Le matériau a été obtenu par une synthèse à l’état solide. Les performances électrochimiques ont été obtenues après une étape de broyage et un dépôt d’une couche de carbone. Un essai a été fait pour synthétiser une version substituée du silicate de fer lithié dans le but d’augmenter les performances électrochimiques de ce matériau.

Low cost synthesis of cathode and anode materials for lithium-ion batteries

Dans cette thèse, nous démontrons des travaux sur la synthèse à faible coût des matériaux de cathode et l'anode pour les piles lithium-ion. Pour les cathodes, nous avons utilisé des précurseurs à faible coût pour préparer LiFePO4 et LiFe0.3Mn0.7PO4 en utilisant une méthode hydrothermale. Tout d'abord, des matériaux composites (LiFePO4/C) ont été synthétisés à partir d'un précurseur de Fe2O3 par une procédé hydrothermique pour faire LiFePO4(OH) dans une première étape suivie d'une calcination rapide pour le revêtement de carbone. Deuxièmement, LiFePO4 avec une bonne cristallinité et une grande pureté a été synthétisé en une seule étape, avec Fe2O3 par voie hydrothermale. Troisièmement, LiFe0.3Mn0.7PO4 a été préparé en utilisant Fe2O3 et MnO comme des précurseurs de bas coûts au sein d'une méthode hydrothermale synthétique. Pour les matériaux d'anode, nous avons nos efforts concentré sur un matériau d'anode à faible coût α-Fe2O3 avec deux types de synthèse hydrothermales, une a base de micro-ondes (MAH) l’autre plus conventionnelles (CH). La nouveauté de cette thèse est que pour la première fois le LiFePO4 a été préparé par une méthode hydrothermale en utilisant un précurseur Fe3+ (Fe2O3). Le Fe2O3 est un précurseur à faible coût et en combinant ses coûts avec les conditions de synthèse à basse température nous avons réalisé une réduction considérable des coûts de production pour le LiFePO4, menant ainsi à une meilleure commercialisation du LiFePO4 comme matériaux de cathode dans les piles lithium-ion. Par cette méthode de préparation, le LiFePO4/C procure une capacité de décharge et une stabilité de cycle accrue par rapport une synthétisation par la méthode à l'état solide pour les mêmes précurseurs Les résultats sont résumés dans deux articles qui ont été récemment soumis dans des revues scientifiques.

The zwitterion effect in ionic liquids : towards practical rechargeable lithium-metal batteries

Practical lithium-metal batteries are the ultimate goal of battery researchers. The addition of a zwitterionic compound (see Figure) to an ionic liquid electrolyte doped with a lithium salt results in a 100% enhancement of the current densities achieved in the cycling of a lithium-metal cell. This phenomenon arises due to increased lithium-ion mobility or a reduced solid electrolyte interphase layer resistance.

Composite cell components for elevated temperature all-solid-state Li-ion batteries

Application of Li-ion batteries with liquid electrolytes at elevated temperatures (above 60°C) is limited due to the decomposition of the electrolyte. Stable solid state electrolytes can solve this problem, but the conductivity of these electrolytes are relatively low, the interfacial contacts with the electrodes are poor, and the charge transfer kinetics in the electrodes are limited. Solutions for these problems by using composite electrodes and electrolytes have been investigated and the results are described. A new concept for making all-solid-state Li-ion batteries that can be applied in the temperature range between room temperature and about 150°C will be presented.

Lithium-doped plastic crystal electrolytes exhibiting fast ion conduction for secondary batteries

Rechargeable lithium batteries have long been considered an attractive alternative power source for a wide variety of applications. Safety and stability1 concerns associated with solvent-based electrolytes has necessitated the use of lithium intercalation materials (rather than lithium metal) as anodes, which decreases the energy storage capacity per unit mass. The use of solid lithium ion conductors - based on glasses, ceramics or polymers - as the electrolyte would potentially improve the stability of a lithium metal anode while alleviating the safety concerns. Glasses and ceramics conduct via a fast ion mechanism, in which the lithium ions move within an essentially static framework. In contrast, the motion of ions in polymer systems is similar to that in solvent-based electrolytes - motion is mediated by the dynamics of the host polymer, thereby restricting the conductivity to relatively low values. Moreover, in the polymer systems, the motion of the lithium ions provides only a small fraction of the overall conductivity2, which results in severe concentration gradients during cell operation, causing premature failure3. Here we describe a class of materials, prepared by doping lithium ions into a plastic crystalline matrix, that exhibit fast lithium ion motion due to rotational disorder and the existence of vacancies in the lattice. The combination of possible structural variations of the plastic crystal matrix and conductivities as high as 2 3 1024 S cm21 at 60 8C make these materials very attractive for secondary battery applications.

Potential application of solid electrolyte P11 OH in Ni/MH batteries

N,N-Dimethylpyrrolidoium hydroxide (P11 OH) with polymer poly(tetramethyl ammonium acrylate) (PTMA) was investigated as an electrolyte in Ni/MH cells in this work. The efficiency and the performance of the electrolyte was discussed and elucidated with the performance of the cell. Their electrochemical characteristics had been investigated at different temperatures (25 °C and 50 °C) and different discharge current (15 mA g⁻¹ and 30 mA g⁻¹). The results show that the cell with electrolyte polymer-P11OH is dischargeable at these two temperatures, and a discharge capacity of 142 mAh g⁻¹ at 25 °C has been obtained.