In situ preparation of 3D graphene aerogels@hierarchical Fe3O4 nanoclusters as high rate and long cycle anode materials for lithium ion batteries

We describe a novel strategy for in situ fabrication of hierarchical Fe₃O₄ nanoclusters-GAs. Fe₃O₄ NCs-GAs deliver excellent rate capability (the reversible capacities obtained were 1442, 392 and 118 mA h g^-1 at 0.1C, 12C and 35C rates), and a high reversible capacity of 577 mA h g^-1 over 300 cycles at the current density of 5.2 A g^-1 (6C).

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. 

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.

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.

Growth of V2O5 nanorods from ball-milled powders and their performance in cathodes and anodes of lithium-ion batteries

The two-stage procedure of ball milling and annealing in air represents a prospective method of preparing nanorods of V₂O₅ with electrochemical properties suitable for the application in lithium-ion batteries. Commercially purchased V₂O₅ powder is milled in a ball mill as the first step of the synthesis. The as-milled precursor is subsequently annealed in air to produce the morphology of nanorods via solid-state recrystallization. We have recently investigated intermediate stages of the formation of nanorods, and this paper summarizes the synthesis method including the description of the current understanding of the growth mechanism. The obtained V₂O₅ nanorods have been assessed as an electrode material for both anodes and cathodes of lithium-ion batteries. When used in cathodes, the nanorods demonstrate a better retention of capacity upon cycling than that of the commercially available powder of V₂O₅. When used in anodes, the performances of nanorods and the reference V₂O₅ powder are similar to a large extent, which is related to a different operating mechanism of V₂O₅ in anodes. The experimentally observed capacity of V₂O₅ nanorods in an anode has stabilized at the level of about 450 mAh/g after few cycles.

Ionic liquid electrolyte for lithium metal batteries : physical, electrochemical, and interfacial studies of N-Methyl-N-butylmorpholinium Bis(fluorosulfonyl)imide

The ionic liquid (IL) N-methyl-N-butylmorpholinium bis(fluorosulfonyl)imide (C₄mmor FSI) is examined from physical and electrochemical perspectives. Pulsed field gradient NMR spectroscopy shows that ion diffusivities are low compared with similar, non-ethereal ILs. Ionicity values indicate that above room temperature, less than 50% of ions contribute to conductivity.

Lithium cycling in symmetrical cells using a C₄mmor FSI-based electrolyte is best demonstrated at elevated temperatures. Specific capacities of 130 mAh g⁻¹ are achieved in a Li−LiFePO₄ battery at 85 °C. FT-IR spectroscopic investigations of lithium electrodes suggest the presence of alkoxide species in the solid electrolyte interphase (SEI), implying a ring-opening reaction of C₄mmor with lithium metal. In contrast, the SEI derived from N-methyl-N-propylpiperidinium FSI lacks the alkoxide signature but shows signs of alkyl unsaturation, and the activation energy for Li+ transport through this SEI is slightly lower than that for the C₄mmor-derived SEI. Our detailed findings give insight into the capabilities and limitations of rechargeable lithium metal batteries utilizing a C₄mmor FSI electrolyte.

Structural composites embedded with lithium polymer batteries

Structural battery composites that concurrently carry load and store electric energy will
transform future vehicles. They can replace inert structural components and simultaneously provide supplementary power for light load applications. Rechargeable lithium polymer battery cells are embedded into carbon fibre/epoxy matrix composite laminates, which are then tested under tension and three-point bending to investigate the mechanical and electrical performances of structural batteries. The experimental results show that the integration of battery cells into composite laminates has negligible impact on the mechanical strengths of the composite structures. Furthermore, the battery cells remain 95% effective at loads up to about 60% of the ultimate flexural failure load and 50% of the ultimate tensile failure load.

Electrospun spinel LiNi0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers as 5 v cathode materials for lithium-ion batteries

Spinel LiNi0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers with diameters of 200–500 nm and lengths of up to several tens of micrometers were synthesized using low-cost starting materials by electrospinning combined with annealing. Well-separated nanofiber precursors impede the growth and agglomeration of Li-Ni0.5Mn1.5O4 particles. The hierarchical nanofibers were constructed from attached LiNi0.5Mn1.5O4 nanooctahedrons with sizes ranging from 200 to 400 nm. It is proven that these Li-Ni0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers exhibit a favorable electrochemical performance. At a 0.5C (coulombic) rate, it shows an initial discharge capacity of 133 mAhg_1 with a capacity retention over 94% after 30 cycles. Even at 2, 5, 10, and 15C rates, it can still deliver a discharge capacity of 115, 100, 90, and 80 mAhg_1, respectively. Compared with self-aggregated nanooctahedrons synthesized using common sol–gel methods, the LiNi0.5Mn1.5O4 hierarchical nanofibers exhibit a much higher capacity. This is owing to the fact that the self-aggregation of the unique nanooctahedron-in-nanofiber structure has been greatly reduced because of the attachment of nanopolyhedrons in the long nanofibers. This unique microstructured cathode results in the large effective contact areas of the active materials, conductive additives and fully realize the advantage of nanomaterial-based cathodes.