• 沒有找到結果。

高性能鋰離子電池LiFePO4/C3N4複合正極材料之研究

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "高性能鋰離子電池LiFePO4/C3N4複合正極材料之研究"

Copied!
113
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

高性能鋰離子電池 LiFePO4/C3N4 複合正極材料之研究 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 : 個別型

計 畫 編 號 : NSC 99-2623-E-011-003-ET

執 行 期 間 : 99 年 01 月 01 日至 99 年 12 月 31 日 執 行 單 位 : 國立臺灣科技大學化學工程系

計 畫 主 持 人 : 黃炳照

計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:Eric K. P.

博士班研究生-兼任助理人員:鄭如翔

處 理 方 式 : 本計畫涉及專利或其他智慧財產權,2 年後可公開查詢

中 華 民 國 100 年 03 月 30 日

(2)

行政院國家科學委員會/經濟部能源局

「能源科技學術合作研究計畫」成果報告 

高性能鋰離子電池 LiFePO

4

/C

3

N

4

複合正極材料之研究  Research on Advanced Positive Materials of LiFePO

4

/C

3

N

4

 

Composite for Lithium Ion Batteries 

計畫類別:█ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號:NSC 99-2623-E-011-003-ET

執行期間:99 年 01 月 01 日至 100 年 12 月 31 日 計畫主持人:黃炳照

計畫參與人員:Eric Kristia Putra、鄭如翔

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):□ 精簡報告

█ 完整報告

處理方式:除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢 

█涉及專利或其他智慧財產權, 

□一年□二年後可公開查詢  

執行單位:國立台灣科技大學化學工程系 

(3)

摘要

以固態法合成之 LiFePO

4

,其主要之缺點在於合成之 LiFePO

4

顆粒較大

且缺乏導電網路,因此即使 LiFePO

4

是目前很可行之材料,但在克服其缺點

時所需要的改善程序往往會使其成本仍高居不下。而相較於以較昂貴或毒性

較高毒性之異種原子摻雜於 LiFePO

4

結構中,本研究主要使用較低成本之氮

摻雜之碳材包覆 LiFePO

4

來提升其電化學性能,

文獻中指出氮摻雜之碳材可以改善 Pt-CNTs 觸媒於氧化還原反應(ORR) 及生物感測器之電化學效能。而於儲能材料上,也有報導摻雜氮之碳材較原 本之碳材更具類金屬特性,即有較高之電子導電度,且應用於超級電容器上 有更高之效能。

基於上述之結果,本研究嘗試以氮摻雜之碳材對 LiFePO

4

進行包覆並

期望能克服 LiFePO

4

本身低導電度之缺點。本研究之包覆方法主要使用三聚

氰胺-甲醛樹酯,最後可成功得到具有相較於固態法合成之 LiFePO

4

較高之電

容量、低極化情形及低電容量衰退率之材料。結果發現,於 700

o

C 及 3%氫

氣環境下持溫 10 小時之條件合成之材料,其第十圈電容量可達 135.53 mAh/g ,具僅有 60.5 mV 之過電位。

關鍵字:LiFePO

4

、三聚氰氨、碳包覆、氮摻雜之碳材

 

   

(4)

ABSTRACT 

The solid-state synthesized LiFePO

4

having major drawbacks due to its relatively big particle size and lack of conductive network. Although the prospect of this material was promising, but the methods to overcome the drawback usually ended up with more costly than the preparation itself. Thus instead of doping with more costly or toxic metal, in this work, nitrogen doping carbon coating was adopted to improve the electrochemical properties of LiFePO

4

.

There’re many claimed that this nitrogen doped carbon having electrochemical enhancement on Pt-CNTs catalyst for oxidation-reduction reaction (ORR) or on biosensing devices. In energy storage application, there’re some groups working on nitrogen doped carbon which said is more metallic than the carbon itself in terms of electronic conductivity proved that this carbon composites works pretty well with the capacitors (supercapacitors).

Interested by this advantage of nitrogen doped carbon, this work would extensively focused on which process could coated the LiFePO

4

so then it could overcome its drawbacks. By using melamine-formaldehyde resin coating, we successfully increased the performance of solid-state LiFePO

4

in terms of capacity, polarization and capacity retention. The capacity is as high as 135.53mAh/g in the 10

th

cycle and having only 60.5mV overpotential was obtained after coating with melamine-formaldehyde resin and sintered for 10 hours in 700°C under 3%

hydrogen atmosphere.

Keywords: LiFePO

4

; melamine; carbon coating; nitrogen-doped carbon

(5)

Table of Contents 

Chapter 1  Introduction ... 6 

Chapter 2  Motivation ... 8 

Chapter 3  Literature Review ... 9 

3.1  Principle of Li‐ion Battery ... 9 

3.2  Cathode Materials ... 11 

3.2.1  Layered Metal‐Oxide structure ... 12 

3.2.2  Spinel structures ... 13 

3.2.3  Olivine Structures ... 14 

3.3  LiFePO4 ... 16 

3.4  Carbon Coating ... 22 

3.4.1  Nitrogen defected Carbon ... 24 

3.4.2  Carbon‐Nitride... 27 

Chapter 4  Experimental ... 30 

4.1  LiFePO4 Synthesis ... 30 

4.1.1  Solid‐State LiFePO4 ... 30 

4.1.2  Co‐dissolution Solid‐State LiFePO4 Preparation ... 32 

4.2  Carbon‐nitride Coating ... 34 

4.2.1  Solid‐state melamine coating ... 34 

4.2.2  Solution‐based Carbon‐nitride coating ... 35 

4.2.3  Melamine‐Formaldehyde Resins (MFR) coating ... 36 

4.3  Sample Characterization... 39 

4.3.1  X‐ray Diffraction ... 39 

4.3.2  Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive Spectroscopy ... 39 

   

(6)

4.3.4  Raman Spectroscopy ... 40 

4.3.5  Thermal Gravimetric Analysis ... 40 

4.4  Electrochemical Test ... 40 

4.4.1  Electrode Preparation ... 40 

4.4.2  Coin Cell Assembly ... 41 

Chapter 5  Results and Discussion ... 43 

5.1  Pristine LiFePOSynthesis ... 43 

5.2  Solid‐state Melamine Coating ... 49 

5.3  Solution‐based Carbon‐Nitride Coating ... 50 

5.4  Melamine‐Formaldehyde Resin Coating ... 55 

Chapter 6  Conclusion ... 97 

References ... 98 

可供推廣之研發成果資料表 ... 105   

   

(7)

Chapter 1 Introduction 

The  emerging  research  trend  towards  more  clean,  more  safe  and  environmental friendly had led to the replacement of petroleum fuel for its global  warming  and  pollution  issues.  Li‐ion  battery  comes  to  the  surface  when  it  need  higher  power  density  and  current  density  in  the  application  of  electric  vehicles. 

Among  those  neither  materials  suitable  for  the  application  in  electric  or  hybrid  electric  vehicles,  LiFePO

4

  was  found  to  be  superior  in  terms  of  safety,  material  cost  and  in  better  environmental  compatibility.  Instead  of  those  benefactors,  LiFePO

4

 had some issues regarding its low energy density and low conductivity for  both electrical and ionic [1]. 

In  order  to  resolve  with  the  drawbacks  of  LiFePO

4

,  many  attempts  had  already  done,  including  supervalent  cations  doping  into  the  lattice  of  LiFePO

4

  structure [2‐4], coating with conductive carbon network [5, 6], also in terms of the  synthesize –many already tried to reduce the particle size in nanosize region [7, 8]. 

Although some authors had published some enhanced performance of LiFePO

4

 by  doping of supervalent cation (Mg, Al, Zr, Cu, Ni, Nb)[2‐4, 9, 10], true mechanism  of  this  is  still  a  matter  of  study  [11].  Besides,  the  doping  of  supervalent  cations  had tendency to occupy the Li sites[1], instead of the transition metal sites, which  may lead to the Li‐ion blockage. Despite the fact that reducing particle size could  enhance  the  Li‐ion  diffusivity,  smaller  particle  needs  more  additives  to  compensate  its  low  tap  densities  and  more  vulnerable  to  surface  reactions  and  dissolution into the electrolyte. 

Bridging  the  cost  of  the  supervalent  doping  and  the  low  tap  density  issue 

(8)

in order to enhance the performance of LiFePO

4

. The fact that the performance of  carbon itself could be enhancing by tuning its defects had attract interest in many  fields  other  than in Li‐ion  battery.  In  supercapacitor  application,  nitrogen  doped  carbon  shows  promising  results  compared  to  normal  carbon  structure  [12‐16]; 

the same trend also observed in biosensor and ORR in which the nitrogen doped  carbon acts as catalyst [17‐20]. 

 

(9)

Chapter 2 Motivation 

Interested  by  this  promising  performance  offered  by  nitrogen  doped  carbon,  in  this  work  the  performance  of  the  nitrogen  doped  carbon  on  Lithium  battery  study  was  investigated.  The  study  will  be  focused  in  cathode  material  optimization, with LiFePO

4

 as the material investigated. Several coating methods  and  condition  were  applied  to  the  LiFePO

4

  in  order  to  overcome  the  intrinsic  limitations coming from the LiFePO

synthesized with solid‐state procedures. 

 

(10)

Chapter 3 Literature Review 

3.1 Principle of Li­ion Battery 

The  basic  principle  of  lithium  battery  systems  based  on  electrochemical  insertion of ions followed by electron transfer. Since the operation is bases on the  movement  of  ions  and  electrons,  small  and  highly  mobile  ions  with  conducting  and dimensionally stable host are required[21]. This battery systems applying two  electrode systems in which one is having low redox potential acting as the anode  combined  with  those  having  higher  standard  redox  potential  acting  as  the  cathode.  In  this  kind  of  lithium‐ion  cells,  the  cell  potential  is  the  difference  between the oxidation states of the anode and cathode host material[22]. 

Figure 3‐1 Principle of LIB battery[23] 

(11)

anode  structure  and  intercalating  into  the  cathode  structure.  Vice  versa,  the  lithium  moved  from  cathode  to  the  anode  during  charge  cycle.  This  ion  movement happened inside the structure having this lithium‐ion battery systems  also known as rocking‐chair cell systems[22]. 

 

Figure 3‐2 Structure of LIB[23] 

The commercially available LIB usually has structure as shown in Figure 3‐2. 

By accommodating copper foil and aluminum foil as anode and cathode material  current  collector,  respectively.  To  separate  the  anode  from  contacting  cathode  directly, separator was used, the characteristics of this separator was to be able  conduct  the  transfer  of  Li‐ion  from  anode  to  cathode  structure.  Here,  polyethylene was the most widely used as the separator. 

As for anode, graphite materials was one of those most popular used. The 

lithium  intercalated  from  the  cathode  material  would  inject  into  the  hexagonal 

planar array of the graphite and thus reacted into Li

x

C alloy. The performance of 

these carbon based materials would influenced by its crystallinity, microstructure 

and  morphology[24].  While  contacting  with  the  electrolyte,  electrolyte  tend  to 

(12)

create  a  passivation  layer  –known  as  SEI  (solid‐electrolyte  interface),  in  which  consume  the  lithium  from  both  the  cathode  and  the  electrolyte  itself  and  this  reaction happened is irreversible. 

In  case  of  cathode  materials,  few  things  need  to  be  considered  before  application  on  the  battery  systems,  few  of  those  are  the  discharge  potential,  reversibility and safety characteristics. The lithium metal oxide is more preferable  since  oxide  material  generally  easier  to  handle,  also  in  term  of  safety,  when  overcharged  is  happened  the  metal  oxide  is  more  preferable  to  be  reduced  compared  to  the  lithium  ion  into  its  metallic  state[22].  Further  insight  on  the  cathode materials would be discussed in following section. 

3.2 Cathode Materials 

Cathode materials were structures of oxides of transition metal which could  undergone an oxidation into higher valence states when lithium is extracted from  its structure. The oxidation happened in order to maintain the charge neutrality  inside the structure, often this oxidation lead to phase transitions[25]. Based on  the structure of these metal oxides compounds most likely there are: 

• Layered structure such as LiCoO

2

• Spinel structure as shown in the LiMn

2

O

4

 structure; and 

• Olivine structure in LiMPO

4

On  which  each  of  them  represents  2D,  3D  and  1D  of  lithium  diffusion 

possible pathways.  

(13)

3.2.1 Layered Metal­Oxide structure 

 

Figure 3‐3 Structure of a‐NaFeO2 (R3m) 

LiCoO

2

  adopts  the  α‐NaFeO

2

  structure  with  CoO2  layer  and  lithium  layer  alternating  each  others.  Both  the  Co  and  Li  ion  inside  the  structures  is  having  octahedral coordination. Compared to others, this layered structure of LiCoO

2

 was  the  most  successful cathode  material.  Provided with most accessible lithium  ion  diffusion pathways, this kind of materials facing problems since the cobalt is less  available compared to the other transition metal available[26]. Furthermore, it’s  less  stable  since  it  can  undergo  such  degradation  while  overcharged  happened. 

Cobalt  also  had  possibility  to  be  dissolved  in  the  electrolyte  and  layer  of  CoO

2

  could be formed during charging‐discharging cycle led to lower capacity. 

LiNiO

2

,  having  the  same  layered  structure  as  the  previous  LiCoO

2

,  provide  materials with lower cost and higher energy density compared to the previously  explained LiCoO

2

. On the other hand, this materials is less stable and having less  degree of ordering, led to the occupancy in lithium sites with the nickel ions[25]. 

Presence of Ni

2+

 in the lithium sites could reduce the spacing between transition 

(14)

metal  resulting  in  Li‐ion  diffusion  blockage  furthermore  turns  into  irreversible  capacity. 

Mixed  transition  metal  adoption  were  also  attractive  in  this  type  of  structure,  recent  development  on  LiNi

1/3

Mn

1/3

Co

1/3

O

2

  show  that  this  type  was  highly  stable  and  low  capacity  fading[27,  28].  Higher  discharge  capacity  of  this  material  could  be  obtained  by  increasing  the  cut‐off  voltage,  however  this  phenomena was accompanied by increase of coulombic ineffiencies as a result of  dissolution of Co in higher voltage[28].  

3.2.2 Spinel structures 

 

Figure 3‐4 Two quadrant of cubic spinel structure[29] 

Other promising cathode material is LiMn

2

O

4

, having spinel type structure 

with  3‐dimensional  of  lithium‐ion  diffusion  pathways.  In  structure  of  spinel 

(shown  in  Figure  3‐4),  there’re  two  possibilities  of  where  lithium  ion  could  be 

adopted. In LiTi

2

S

4

 the lithium would inserted in the unoccupied octahedral sites 

(15)

lithium  ion  (in  B  rich  stoichiometric)  and  insertion  on  octahedral  sites  in  lithium  rich stoichiometric[29]. 

Comparing to the previous type of electrode this one is safer and lower in  cost  although  it  having  lower  theoretical  capacity  (140mAh/g  in  stoichiometric  LiMn

2

O

4

).  It’s  said  that  the  charge‐discharge  capacities  and  the  cycling  characteristics of this type of electrode affected by its stoichiometric[30]. 

The  capacity  fading  in  this  spinel  structure  is  one  of  the  major  concerns. 

Since the lattice parameter could describe the distortion inside the structure due  to minor changes in the transition metal states[31]. The capacity fading might due  to  the  loss  of  oxygen  during  charging  and  due  to  the  dissolution  of  manganese  into  the  electrolyte.  The  one  that  dissolve  in  acidic  electrolyte  was  divalent  manganese, which can be reduced by maintaining the surface voltage above the  formation  potential  of  Li

2

Mn

2

O

4

.  This  dissolved  Mn  could  transfer  to  the  anode  and reduce to their metal states, which reduce the potential capacity. 

Another approach for application of the spinel was by addition of another  transition  metal.  The  most  common  transition  metal  dopant  used  was  nickel,  in  stoichiometric  LiMn

1.5

Ni

0.5

O

4

.  Nickel  doping  proven  to  give  better  stability  and  better electrochemical performance in this spinel arrangement structure [32‐34]. 

This  compound  show  higher  voltage  plateau  (4.8  V)  compared  to  the  pristine  spinel  one  (4.1  V),  attributed  to  the  join  electrochemical  between  Ni

2+

  and  Mn

4+

[33], since the qudrovalent of Mn is electrochemically inactive[34]. 

3.2.3 Olivine Structures 

NASICON  structure  (shown  in  Figure  3‐5)was  first  build  up  to  support  the 

fast  Na‐ion  conduction,  which  later  developed  by  substitution  of  polyanion  for 

(16)

oxygen  resulting  in  open  host  framework.  This  structure  constructed  on  two  metal  octahedral  (MO

6

)  bridged  by  three  corner  sharing  tetrahedral  structure  (XO

4

). The potential of this structure (operating with Fe

2+

/Fe

3+

) can be tuning by  introducing  inductive  effect  coming  from  the  counter‐cation  on  the  polyanion  group. 

 

Figure 3‐5 NASICON structure of LixM2(XO4)3[29] 

The research in the field of polyanion based had been done by introducing  (XO

4

)

y‐

 in which the X was S, P, Si, As, Mo, W. Among those PO

43‐

 and SO

42‐

 attract  more  attention  since  it  could  raise  redox  potential  compared  to  the  oxides  and  stabilize structure [26]. With the substitution of PO

4

 into NASICON structure, the  structure  would  be  suffering  a  minor  distortion  into  open  olivine  structure  with  only 1‐dimensional Li‐ion diffusion (shown in 

錯誤! 找不到參照來源。

). 

Interest  in  this  kind  of  structure  was  emerging  as  the  introduction  of 

LiFePO

4

  as  one  of  the  most  promising  cathode  material  by  Padhi  et.  Al[35]. 

(17)

Other than LiFePO

4

, LiMnPO

4

 is having similar olivine structure, together with the  same theoretical capacity (170 mAh/g) [26]. 

High  discharge  capabilities  and  minor  capacity  fading  over  hundred  of  cycling  had  been  reported  on  this  LiMnPO

4

  structure[36].  Compared  to  the  LiFePO

4

  this  material  could  offer  higher  energy  density,  due  to  higher  energy  voltage  plateau  the  manganese  offered.  It  was  701Wh/kg  overcome  the  568Wh/kg  of  LiFePO

4

[37].  Although  the  theoretical  capacity  is  about  the  same  with  LiFePO

4

  only  few  groups  manage  to  achieve  the  over  120mAh/g,  mainly  because  the  crystallinity  and  particle  size  effects.  Many  attempts  was  done  in  order  to  maintain  the  particle  size  effects,  thus  in  the  synthesizing  low‐

temperature  operation  is  more  preferable.  However,  such  low‐temperature  routes  could  lead  to  the  Mn

3+

  disordering  in  the  lithium  sites,  resulting  the  blocking of 1‐dimensional lithium diffusion pathways. 

3.3 LiFePO4 

Recent development on battery suggest for having safer, lower cost while 

still maintaining high storing volume and energy density. Since the introduction of 

LiFePO

4

  by  Padhi  et  al.  in  the  late  of  20

th

  century  [35],  this  kind  of  cathode 

materials  had been  an attractive field  in solving the environmental and capacity 

problems for the now‐commercialized cathode materials, LiCoO

2

 based cathode. 

(18)

 

Figure 3‐6 LiFePO4 olivine structure along with b‐axis (left) and c‐axis (right) [26] 

Figure  3‐6  shows  the  actual  of  the  olivine  LiFePO

4

.  The  octahedral  in  this  structure  distinct  in  size  and  its  crystallographic  structure,  thus  favoring  the  MM’XO

4

  [35],  one  is  occupying  the  corner‐shared  octahedral  ‐  occupied  by  the  transition metal, other is occupying the edge‐shared octahedral, occupied by the  lithium  metal[38].  XO

4

  in  olivine  sits  in  the  tetrahedral  bridging  two  adjacent  metal  sites,  leave  a  free  volume  in  which  the  one‐dimensional  tunnel  of  Li‐ion  undisturbed[35]. Furthermore, by simulation calculation done by D. Morgan et al. 

in 2004 [39], it  proves this single Li‐ion  diffusion  tunnel (path  1 shown in Figure 

3‐7),  since  none  other  site  vacancy  provide  low  enough  energy  barrier  for  the 

lithium hoping mechanism. 

(19)

 

Figure 3‐7 Li‐ion diffusion path in LiFePO4 [39] 

Despite  being  single  path  diffusion  of  Li‐ion,  this  lithium  iron  phosphate  having  qualification  on  being  promising  cathode  materials.  Having  iron  as  its  transitional  metal  making  lithium  iron  phosphate  minimize  the  environmental  effects caused by others transitional metals so far already developed, such cobalt  and nickel [31]. Besides, the abundance of iron in the earth surface could help the  products manufacturing cost.  Furthermore, the working potential from iron was  3.45 V vs Li/Li

+

 [40], it already in the range of high voltage, but can’t contribute to  the electrolyte decomposition, which usually happened above 4V [35]. Also, this  voltage range makes it compatible with common organic and polymer electrolyte. 

In terms of stability, this material also superior since the LiFePO

4

 and its transition  state, FePO

4

 was isostructural, having the same space groups of Pmnb, with only  minor differences in lattice parameters [11]. 

The  high  thermal  stability  behavior  of  LiFePO

4

  might  come  from  the  covalent  bondings  which  construct  the  PO

43‐

  between  the  P  and  O  atoms.  This 

arrangement  allows  the structure give  better  structure  stabilization  by  stabilizes 

the  Fe

3+

/Fe

2+

  antibonding  through  Fe‐O‐P  inductive  effect.  While  its  excellent 

(20)

reversibility  comes  since  the  LiFePO4  and  FePO4  are  having  the  same  space  groups with a minor difference in lattice parameter [11]. 

Still,  this  phospho‐olivine  structure  has  serious  drawbacks  to  be  used  as  cathode materials, due to its non‐conductive nature. The measured conductivity  of  this  material  was  in  the  range  of  10

‐10

  –  10

‐8 

S∙cm

‐1

  [9],  also  since  its  olivine  structure only provide 1‐dimensional lithium‐ion diffusion path (as been shown in  Figure 3‐7). Many efforts had come to surface in order to overcome the possible  drawbacks, one is to control the particle size, thus minimizing the particle would  gave effects in the shorter diffusion  path of the  lithium  ion  [7]; one is to  doped  supervalent cations, such as Mg, Al, Zr, Cu, Ni, Nb [2‐4, 9, 10]. Others were trying  to  employ  conductive  networks  in  between  the  lithium  iron  phosphate,  thus  could  provide  “conductive  tunnel” which  would  increase  the  conductivity  of  the  bulk lithium iron phosphate structure. 

Mechanism  in  which  involving  the  supervalent  cations  doping  was  quite 

well  investigated,  either  in  simulation  or  experimental  part;  although  the  exact 

mechanism  is  still  in  debate.  Meethong  et  al.  [10]  stated  that  by  the  doping  of 

supervalent  cations,  the  bonding  length  of  lithium‐oxygen  and  oxygen‐oxygen 

would  considerably  increased  –considered  that  the  higher  the  dopant  valence 

inside  the  structure,  the  more  the  lattice  parameters  would  expand.  This 

expansion was the effect of lithium deficient, since the supervalent cations would 

occupied  in  the  lithium  sites,  although  this  give  a  positive  effect  as  the  reduced 

lithium migration energy inside the lattice. 

(21)

 

Figure 3‐8 XRD of doped LiFePO4 [9] 

From  Figure  3‐8,  Chung  et  al.  [9]showed  that  the  XRD  of  doped  LiFePO

4

  based on Fe‐compensation having impurities of Li

3

PO

4

 with increased intensities  as  the  valence  of  the  doping  element  increase.  Thus  proves  the  previous  statement  that  the  supervalent  cations  would  occupied  the  Li‐sites  as  the  compensation  of  the  charge.  Yet,  a  significant  increase  was  observed  in  the  conductivity  test  and  electrochemical  test  (observed  by  CV  measurement)  over  several samples. Shown in Figure 3‐9 and Figure 3‐10 was the results cited about  the corresponding statement. 

 

Figure 3‐9 CV of doped LiFePO4 [41] 

(22)

 

Figure 3‐10 Conductivity measurement of doped LiFePO4 [9] 

Extensive  works  already  done  in  this  field  of  increasing  conductivity  of  LiFePO

4

,  still  there’re  matters  to  consider  in  this  field.  Delacourt  et  al.  showed  that in some cases, the attempts of doping would accidentally provide conductive  network  on  the  surface  of  LiFePO

4

  particles,  in  the  form  of  carbon  or  iron  phosphide [42]. The presence of Iron containing conductive network was due to  the  lithium  deficient  stoichiometry,  due  to  the  supervalent  cations  would  compensate  in lithium sites. Also, the use of the carbon‐containing  precursor of  supervalent  doping  would  accidentally  form  the  carbon  coating  outside  the  LiFePO

4

 particles. 

In the figure presented in their works , Delacourt et al. [42]proved that this 

conductive  network  do  observed  under  HRTEM  imaging  supported  with  EDS 

(23)

 

Figure 3‐11 Fe2P evidence by works of Delacourt et al in Nb doped LiFePO4 [42] 

3.4 Carbon Coating 

Carbon  coating  was  the  most  common  way  adopted  in  order  to  give  a 

conductive  network  inside  the  lithium  iron  phosphate  structure.  The  application 

of  carbon  could  be  just  coated  on  the  surface  of  the  prepared  lithium  iron 

phosphate  [43,  44]  or  either  by  growing  the  carbon  network  in‐situ  while  the 

lithium  iron  phosphate  synthesizing  phase  (which  usually  done  in  hydrothermal 

synthesize  methods)  [6,  45,  46].  In  some  cases,  the  carbon  could  also  acts  to 

prohibit  the  particle  agglomeration  while  at  the  same  time  acts  as  reducing 

agents,  thus  reducing  the  chance  of  the  Fe

2+

  to  be  oxidized.  While  the  main 

purpose  of  carbon  coating  is  still  giving  the  intra‐  and  extra‐particle  conductive 

network [11]. 

(24)

Instead  of  only  considering  this  increasing  in  potency  of  the  related  materials, this carbon coating also can have some drawbacks. The presence of this  carbon coating would likely to increase the production cost also reducing the tap  density [1]. Thus, one really needs to consider the ‘appropriate’ thickness of this  carbon coating. 

The  performance  of  conductive  carbon  in  the  field  of  lithium  ion  battery  had  been  no  doubt  in  order  improving  the  performance  of  it.  Carbon  electronic  conductivity  depends  on  the  thermal  treatment,  hybridization,  as  well  as  the  content  of  heteroatom  applied  into  its  structure.  Furthermore,  carbon  was  chemically stable (either in acid or base solution), could perform in wide‐range of  temperature,  and  could  be  easily  modified  in  terms  of  surface  area  and  pore  distribution,  which  in  case  of  electrochemical  reactions  would  affect  the  electrode/electrolyte interface behavior [47]. 

In terms of carbon coating methods to be applied in cathode material, the  process  could  be  divided  into  in‐situ  carbonization  or  ex‐situ  carbon  growing. 

Most of the cases, in situ carbonization preferred since it’s believed to give better  carbon dispersion and contact with the particles. Study by Liang et al. [48] showed  that  this  kind  of  in‐situ  growth  of  carbon  can  distribute  the  carbon  pretty  well  inside the particle, since it was still in the liquid phase when it was dispersed in  the  LiFePO

4

.  In  their  report  [48],  although  the  bulk  conductivity  of  both  coating  methods were the same, the performance test result was different. This behavior  could  be  explained  by  the  difference  in  the  individual  grain  conductibility  to  another supported by the presence of thin carbon distribution in each grain. 

As mentioned above, the presence of heteroatom in the carbon composite 

(25)

electrochemical capacitance, although carbon sphere was a important player for  its  large  surface  area,  good  electronic  conductivity,  having  chemically  stable  together  with  low  cost  material.  The  improvement  of  its  performance  due  to  presence of nitrogen had been observed by some groups [14, 16, 49]. The main  reason  of  this  increment  of  significance  performance  was  due  to  the  active  functional groups that provided by N (nitrogen) defects in the structure together  with the significant increase in the surface area observed by BET method [49]. 

3.4.1 Nitrogen defected Carbon 

Intrinsic properties tailoring of carbon by introducing foreign atom into the  structure had become interesting subject of study. This kind of chemical doping in  carbon could lead to increase in electrical and thermal conductivity. Prior to this  coating,  Nitrogen  atom  was  preferred  since  the  similar  atomic  radius  that  it  offered while offering one extra electronic valence. By the addition of this extra  valence, the behavior of carbon could be hoped to be more metallic [19, 50]. 

The  presence  of  Nitrogen  inside  could  be  described  well  by  XPS 

measurement  in  N

1s

  in  which  the  nitrogen  would  be  presented  in  (most  of  the 

cases)  three  states.  The  quartenary  N  type  (N‐Q),  which  would  be  observed  in 

401.5eV; pyrrolic N  (N‐6) in binding energy range of 400.1eV; pyridinic N (N‐5) in 

398.8eV  [19]  and  another  author  would  mentioned  the  oxide  N  states  (N‐X) 

observed  in  402.4eV  up  to  403.0eV[15].  These  nitrogen  groups  would  give 

different effects as they present in the carbon network. 

(26)

   

Figure 3‐12 Simulation graphic of N state [19] (left) and the deconvolution  of N1s spectra in XPS [15] (right) 

In case of quartenary N, the distribution of each electron would be three of  them  attached  on  the  other  carbon  structure,  in  which  supplying  the  graphitic  nitrogen  structure,  while  the  forth  give  filling  the  p‐state  of  the  carbon  and  the  fifth electron forms a π*‐state that would contribute to the p‐doping effect on the  N‐doped graphene [19]. In which the ‘hole’ supplied by this effect would increase  the electrical conductivity within the graphitic structure. 

As  proposed  by  Hulicova  et  al.,  the  pyridinic  nitrogen  in  graphene  layer 

would acted as if they were electron donor, thus providing the systems with what 

is  so  called  “pseudo‐capacitance”  effects  [16].  This  effects  occurred  since  the 

protons  was  temporary  attracted  to  the  electron  “donated”  by  the  pyridine 

functional groups. The behavior of this electrochemical pseudo‐capacitance could 

be  observed  as  rectangular  shape  of  the  voltammetry  characteristics  [47].  By 

comparing  the  result  given  by  Hulicova  et  al.  (as  shown  in  Figure  3‐13),  it  was 

obvious that the nitrogen doping in the mesoporous carbon structure would give 

significant  increase  of  performance  (approaching  the  ideal  capacitor)  by  adding 

the pseudo‐capacitance effects on the carbon performance. 

(27)

 

Figure 3‐13 Pseudo‐capacitance effects observation on CV of N‐doped  carbon (left) [16] and theoretical pseudocapacitance observation[47] 

Many methods could be use in order to adopted this nitrogen doping idea  into carbon structure, starting from the modest plasma treatment [19], chemical  vapor  deposition  [20,  51] to  the  simple  polymerization  of  melamine  into a  silica  framework  [14‐16,  52].  In  their  report,  they  provide  evidence  that  within  all  of  those  processes,  the  nitrogen  content  within  the  carbon  network  could  be  adjusted.  

The work based on silica framework usually had the silica etched out after 

the  carbonization  of  the  carbon  composites.  As  can  be  seen  in  the  mechanism 

provided  by  Li  et  al.  [14]  showed  in  Figure  3‐14,  the  removed  the  silica  by  HF 

etching.  Thus  leaving  only  the  carbon  composites  network,  and  supposed  the 

silica was no more than to provide the structural of the melamine formaldehyde 

resin composites. 

(28)

 

Figure 3‐14 PICA methods proposed by Li et al. [14] 

Since  the  work  done  by  another  group  showed  that  without  this  silica  precursors,  simply  by  using  resorcinol  and  formaldehyde  as  the  precursors  processed  under  hydrothermal  and  later  went  straight  for  carbonization  under  inert  atmosphere,  resulting  in  dense  sphere  particle  with  the  range  of  diameter  from 700nm up to as large as 5µm [13].  

3.4.2 Carbon­Nitride 

Recent  further  development  on  carbon  with  the  melamine  as  framework 

had  been  come  with  carbon  nitrides  as  the  main  interest.  Carbon  nitrides  (CN

x

were attractive as a carbon derivation due its wide potential windows and shown 

to  be  having  good  electrochemical  reactivity  [53].  The  electrochemical 

performance  of  carbon  nitrides  had  proven  for  having  significance  increase 

compared  to  the  plain  carbon.  In  Figure  3‐15,  it  can  be  seen  that  the  voltage 

window for CNx and CHNx (nitrogen‐doped carbon species) is broader compared 

to the glassy carbon. 

(29)

 

Figure 3‐15 CV of carbon nitride in deaerated 0.5M LiClO[53] 

However,  these  kinds  of  carbon  allotrope  have  difficulties  in  synthesis  procedures. Many attempts had been tried, including chemical and physical vapor  deposition, high temperature and pressure processes, and such, still most of the  case  the  products  was  containing  only  small  nitrogen  content  and  usually  amorphous [54, 55].  

Relatively close to C/N ratio of 3:4 preferably to be obtained by introducing  triazine‐based precursors, such melamine and its precursors –dicyandiamide. The  reaction  is  based  on  polycondensation  and  polyaddition,  followed  by  the  ammonation  of  melamine,  as  explained  in  the  following  Figure  3‐16.  The  major  drawback  from  this  method  was  the  sublimation  of  melamine  in  elevated  temperature. Thus many recent approach prefer to use solution based methods,  such solvothermal [54]  or sol‐gel method[55]. 

In  terms  of  low‐compressibilty  carbon  nitrides  procedures,  Qiu  and  Gao  [56]had  proposed  to  used  ethylene‐diamine  together  with  carbon  tetrachloride. 

The  product  was  obtained  under  atmospheric  pressure.  The  work  was  then 

applied  in  synthesizing  mesoporous  carbon  nitride[57],  since  the  hollowed  or 

(30)

porous  carbon  nitrides  had  potential  to  be  used  in  semiconductor  applications  since its tunable electrical properties [58]. 

 

 

Figure 3‐16 Reaction path of formation of C3N4 [17] 

 

 

(31)

Chapter 4 Experimental 

Our  experimental  framework  would  be  covered  from  the  bare  materials  synthesis followed by attempts of carbon nitride coating. Then, we also do some  assessment  of  improved  performances  of  the  coated  sample  by  electrochemical  test.  The  scheme  of  the  whole  experimental  procedures  would  be  presented  as  follow: 

 

Figure 4‐1 Experimental Design 

4.1 LiFePO4 Synthesis 

4.1.1 Solid­State LiFePO4 

The  LiFePO

that  would  be  use  in  extent  to  the  coating  process  was  prepared using solid state methods, in which the whole schematic process can be  seen in Figure 4‐2, and detailed process would be explained as follows. 

1. Lithium carbonate was used as lithium source, as well as Iron‐acetate  (CH

3

COOFe) as iron sources and ammonium dihydrogen phosphate as the 

LFP synthesis

Optimization of synthesis parameters

Carbon-nitride coating

Assessment of Carbon-nitride content

Analysis of final products

(32)

phosphate sources. These three reagents were used as it is from the  retailer and were weighted by molar ratio 1:1:1. 

2. Since ball‐milling was used to pre‐reacting the precursors, all of those 

precursors was immersed in acetone and put in planetary ball‐mill machine. 

The setting of the machine was: 

a. 15 minutes in 500 rpm. 

b. 2 minutes pauses between each cycle. 

c. 15 minutes in 500 rpm with reverse direction. 

3. After ball‐milling for about 2 hours (8 repetitions), the products were  collected to be dried in oven for over 3 hours under 120°C. 

4. The dried powder was ground and sintered under argon atmosphere in  350°C for 10 hours. This step was used to remove the organic impurities  that might happen on the surface of the products. 

5. After sintering process, the powder is collected for re‐grounding and the 

annealed in the tube furnace, again under argon atmosphere and 600°C for 

10 hours. 

(33)

 

Figure 4‐2 Schematic Diagram for Solid‐state Synthesis Route 

 

4.1.2 Co­dissolution Solid­State LiFePO4 Preparation 

Since  we  encountered  several  problems  during  the  usual  solid‐state  processing,  we  would  like  to  modify  the  preparation  process  by  dissolving  the  entire precursor at first, and then continue with the common solid‐state process. 

As  shown  in 

錯誤! 找不到參照來源。

,  we  start  with  high  water  solubility  precursors  and fortunately those precursors would give us no carbon content. 

 

Li2CO3  (0.4684 grams) 

CH3COOFe  (2.0527 grams) 

NH4H2PO4  (1.3856 grams) 

Ball‐milled for about 2 hours 

• 15 minutes in 500 rpm 

• Rest for 2 minutes 

• 15  minutes  in  500  rpm  (reverse rotation)  Repeated for 8 repetitions. 

Dried in oven  120°C for 3 hours  

Sintered in tube furnace  350°C for 10 hours  (Under N2 atmosphere) 

Annealed in tube furnace  600°C for 10 hours  (Under N2 atmosphere) 

(34)

 

Figure 4‐3 Schematic diagram of Co‐dissolution Solid‐state Method 

The detailed process would be explained as follows: 

1. LiOH.H

2

O; FeSO

4

.7H

2

O; and NH

4

H

2

PO

4

 were chosen as the Li, Fe, and PO

4

 

LiOH.H2O (1.4686 grams)  + 20mL of DI water 

NH4H2PO(4.0260 grams) + 20mL of DI water  FeSO4.7H2O (9.7303 grams)

+ 20mL of DI water Precursor  Li: Fe: PO4 = 1:1:1

Planetary Ball‐Mill  Repetition 8x with the setting of: 

• 15 minutes with 500rpm 

• 2 minutes of rest   + Final rest (±44 minutes) 

Total time for ball‐milling: 3 hours 

Collected by addition of  120mL of acetone

Drying by continuous  vacuum for 6 hours

Pre‐heating step: 

350°C for 10 hours  Heating rate: 2°C/min 

Evacuating for 15 minutes  Refill with inert gas  Re‐evacuating for 15minutes  Heat treatment step: 

700°C for 10 hours  Heating rate: 2°C/min 

Drying under vacuum  T: 80° 

t: 6 hours

(35)

2. The precursors were weighted with 1:1:1 molar ratio and then dissolved  in DI water. When the entire precursor was completely dissolved, the  precursors were then mixed together for 15 minutes before send to  heating under vacuum to evaporate all the water content. 

3. After 6 hours of drying, the powder is then collected to put into  planetary ball mill to start the solid‐state process. 

4. The resulting products from the ball mill was collected by addition of  120mL of acetone and then dried under vacuum in flowing water  environment (ambient temperature used in this process) for 6 hours. 

5. The dried powder were grounded and sent to pre‐sintering process  under inert atmosphere (3% H

2

 + Ar) with heating rate of 2°C/min up to  350°C for 10 hours. In order to maintain the vacuum in the same state,  two step of vacuuming period was used; in between the refilling gas was  the inert gas that will be used for the sintering. 

6. After sintering, the products were collected to be re‐grounded and put it  back for the annealing process under the same flowing gas and heating  rate up to 700°C. The vacuum step was exactly the same for the 

annealing process as well. 

4.2 Carbon­nitride Coating 

4.2.1 Solid­state melamine coating 

For  direct  solid‐state  melamine  coating  we  adopted  just  the  common 

procedure  for  solid‐state  method,  in  which  the  melamine  was  grounded  for  5 

minutes  with  the  pristine  LiFePO

4

  materials  and  further  sintered  at  high 

(36)

temperature  (up  to  700°C)  for  10  hours.  The  amount  of  melamine  used  in  this  process was based on 1:1 molar ratio to the LiFePO

4

 powder. 

4.2.2 Solution­based Carbon­nitride coating 

The  typical  working  procedures  of  this  method  was  just  simply  following  the procedures proposed in [57], with some minor modifications. We adopted the  as‐prepared lithium iron phosphate powders from solid‐state methods to replace  the  calcined  SBA‐15.  However,  in  the  end  of  the  process,  we  didn’t  etch  the  structure template since we need it. The detailed process would be as follows: 

1. Lithium iron phosphates, as prepared from the solid‐state method, were  weighted as much as 3 grams. 

2. CCl

4

 and ethylene diamine were chosen as the carbon‐nitride precursors. 

All the precursors were mixed together while keeping the mol ratio as  1:2:2.2 for lithium iron phosphate:CCl

4

:ethylene diamine. 

3. The mixture was put under intensive stirring for 6 hours under reflux  systems in flowing water. 

4. After 6 hours, the dark brown solid mixture were collected and to be dried  in 100°C for 12 hours under vacuum. 

5. The dried powder is then collected for thermal treatment. The thermal 

treatment done in tube furnace under 5%H

2

‐95%Ar atmosphere, for 6 

hours. 

(37)

 

Figure 4‐4 Schematic Diagram for CNx‐coating 

The  schematic  diagrams  for  the  process  could  be  seen  in  Figure  4‐4.  The  thermal  treatment  done  to  this  method  was  also  varied  to  find  out  the  optimal  condition  for  coating.  Temperature  of  700°C  and  800°C  were  tried  instead  of  only 600°C as mentioned. 

4.2.3 Melamine­Formaldehyde Resins (MFR) coating 

Although  the  overall  process  would  be  a  little  bit  similar  to  the  already  explained  method  above,  this  synthesis  methods  prepare  the  melamine‐

formaldehyde  resins  (MFR)  at  first  then  to  reacted  with  the  structure.  As  procedure proposed by Li et al. in ref. [14], the melamine and formaldehyde is set  to  react  first  to  make  e  precursor  of  nitrogen  containing  carbon  chain.  The  detailed procedures would be presented as follows: 

1. A portion of melamine powder were weighted (3.15grams or 25mmol) and  put into 12.5mL of DI water. Into the mixture also added by 5mL of 37% 

Formaldehyde solution in water. 

As‐prepared LiFePO4  3 grams 

CCl4  5.76 grams 

Ethylenediamine  2.4 grams 

Mix under reflux systems 90°C – 6 hours 

Dried under vacuum  100°C – 12 hours 

Thermal treatment  under 5% H2 – 95% Ar 

600°C – 6 hours 

(38)

2. The mixture of those 3 components were then stirred under 85°C for 20  minutes in order to obtain a clear solution. 

3. Just as the 20 minutes passed, the solution is then cooled down to 40°C  right then the structure was mixed together. In the [14], the structure used  was colloidal silica (5gr in 100mL of DI water). In this work, we substitute  the silica structure with the lithium iron phosphate. For the first trial, we  applied commercial available lithium iron phosphate (provided by Tatung  Company). Since this commercially available products already having a  good crystallinity and fixed XRD pattern, thus we can easily checked the  final products quality. 

4. 30mL of structure colloidal solution were used, and after stirring with the  MF‐resin for a moment (5 minutes) the pH of final mixture were set to 4.5  by addition of H

3

PO

4

. Supposed HCl was used instead of H

3

PO

4

 [14], but  since the HCl would dissolve the lithium iron phosphate, we changed to  H

3

PO

4

5. After the pH value was set, the mixture was put in static condition for 3  hours. Later than that the products were collected by filtration, while  washed with DI water and ethanol (95%). 

6. After drying in 60°C, the powder is the cured for 24 hours under air  atmosphere at 180°C, before attempted to carbonization of the MF‐resin  in 800°C for 2 hours. 

7. After carbonization, the sample cooled down to 250°C and held for 4 hours, 

to stabilize the nitrogen content on the structure. The final products was 

then checked for XRD patterns before proceed into further usage. 

(39)

 

Figure 4‐5 Schematic diagram for Melamine‐Formaldehyde Resin (MFR) 

coating 

 

Melamine  (3.15 gram) 

Formaldehyde  37% in water 

(5 mL) 

Polymerization reaction  In round‐bottom flask 

‐ 

85°C for 20 minutes  Under intensive stirring 

Cooled down to 40°C

Carbonization  (N2 atmosphere) 

800°C – 1 hour  250°C – 4 hours  Mixing for 5 minutes 

(40°C)  Structure solution – 25mL 

(5gr/100mL) 

Static (no stirring)  3 hours 

pH value set to 4.5 (H3PO4 solution)

Filtration 

(Washed with DI water and ethanol) 

Drying in oven  (60°C) – 12 hours 

Curing  24 hours ‐ 180°C 

(40)

4.3 Sample Characterization 

4.3.1 X­ray Diffraction 

The  particle  crystalline  and  purity  of  the  pristine  LiFePO

4

  and  coated  LiFePO

4

 samples were investigated using X‐ray Diffractometer (Bruker D2 Phaser)  with  Cu Kα  radiation at  30kV  and  10mA.  The  measurement  was  done  using  low  scan rate (3s for each step, with step size 0.05°) and the 2θ windows from 15 up  to 45°. 

4.3.2 Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive Spectroscopy 

To  understand  the  morphology  of  the  particle  of  each  samples  prepared,  the  samples  were  examined  using  Scanning  electron  microscopy,  FESEM  (JEOL  JSM‐  6500F)  using  15  keV  and  magnification  starting  from  5000x  up  to  20000x. 

Prior  to  examination,  the  samples  were  first  coated  with  gold  sputtering.  The  elemental  analysis  also  done  with  Energy  dispersive  spectroscopy  that  already  installed together with the SEM machine. 

4.3.3 Fourier Transform Infrared Spectroscopy 

Chemical  bonding  that  occurred  in  the  carbon  conductive  network  was 

observed  by  using  Fourier  transform  infra‐red  spectroscopy,  provided  by  Bruker 

Ltd.  Alpha  package.  The  recording  was  done  in  400‐4000cm

‐1

  with  spectral 

resolution of 1cm

‐1

(41)

4.3.4 Raman Spectroscopy 

The  behavior  of  carbon  coating  was  observed  by  using  Raman  scattering  provided  by  Kaiser  optical.  The  data  was  recorded  by  using  low  energy  785nm  laser with power output in the range of 11‐19mW and exposure time 3 seconds. 

4.3.5 Thermal Gravimetric Analysis 

In order to determine the amount of any organic matter in LiFePO

4

 whether  it was carbon or nitrogen doped carbon, thermal gravimetric analysis was done to  each  of  our  samples.  TGA  were  done  with  module  provide  by  Perkin  Elmer  (Diamond TG/DTA package). The temperature of the sample was risen to 700°C  with the rate of 10°C/min under air flow of 20mL/min. 

4.4 Electrochemical Test 

4.4.1 Electrode Preparation 

1. The materials used in the process were the cathode powder (active materials),  the binder and the conductive carbon (super‐P). The ratio was 80 wt. % for the  active materials and 10 wt. % for each the binder and the conductive carbon. 

2. The binder (PVdF – Polyvinylidene Fluoride) was first dissolved in NMP (N‐

Methyl‐2‐Pyrrolidone). After all the PVdF was dissolved, the solution is then  transferred to a container where the other materials were already weighted. 

3. The mixture is then mechanically stirred with helps of 2 ZrO

2

 balls in 2000rpm  for 100 minutes. 

4. After mixing, the slurry was casted on aluminum foil that already cleaned and 

heated to 120°C by using 150µm doctor blade. 

(42)

5. After drying in the oven for 6 hours, the electrode were pressed with to 80% 

original thickness and cut into 13mm circular electrode before put into glove  box for coin cell assembly. 

4.4.2 Coin Cell Assembly 

1. The materials needed to assemble a coin type cell were placed in Argon‐filled  glove box. The coin cell used was 2032 cell with the electrode diameter of  13mm and the separator diameter of 16mm. 

2. Prior to assembly, the electrode was weighted. Then assembled in order as  shown in Figure 4‐6. 

3. During the assembly, lithium metal was used as the counter electrode. With  the use of 1M of LiPF6 dissolved in EC‐DEC (volume ratio: 1:1) as the 

electrolyte. Here, the material used in the separator was poly‐propylene. 

(43)

 

Figure 4‐6 Coin Cell arrangement 

 

(44)

Chapter 5 Results and Discussion 

5.1 Pristine LiFePOSynthesis 

 

Figure 5‐1 XRD of as‐prepared LiFePO4 by solid‐state method 

The  as‐prepared  sample  of  LiFePO

4

  by  solid‐state  method  shows  a  good  correspondence with the JCPDS standard that we used as the comparison, shown  in Figure 5‐1. Furthermore, since we used 600°C as sintering temperature, we got  quite  good  crystallinity  of  the  product.  The  morphology  of  this  sample  was  observed  under  Scanning  Electron  microscopy  and  the  results  were  shown  in  Figure 5‐2. 

15 20 25 30 35 40 45

SS-LFP

JCPDS

Intensity (a.u.)

2theta

(45)

   

Figure 5‐2 SEM images of as‐prepared LiFePO4 by solid‐state method 

From the SEM images, we can clearly see that by the particle size is already 

in the range of 100s nanometer, due to the ball‐milling step using a planetary ball 

mill  machine  with  small  zirconia  ball  (a  mixture  of  diameter  of  1mm  balls  and 

5mm  balls).  By  this  size,  we  expected  to  get  a  quite  good  electrochemical,  in 

which we’ve done using the 2032‐coin cell test. The results of the electrochemical 

test  can  be  seen  in  Figure  5‐3,  in  which  it  still  had  noticeable  capacity  fading 

during  the  first  10  cycles.  Also,  there’s  increased  in  overpotential  as  the  cycle 

increased,  which  possibly  caused  by  the  intrinsic  limitation  of  the  solid‐state 

method. 

(46)

 

Figure 5‐3 Charge‐discharge profile for as‐prepared LiFePO

Observation  of  the  SEM  images  showed  that  although  the  particle  was  in  range  of  100s  nanometer,  they  agglomerated  together  forming  a  huge  bulk  particle.  In  which  would  reduce  the  surface  area  needed  to  increase  the  LiFePO

4

/FePO

4

  interface  and  decreased  the  lithium  bulk  diffusion  path  [59].  The  polarization  happened  as  the  cycle  growing  was  also  a  contribution  of  the  reduced LiFePO

4

/FePO

4

 interface. 

The proceeding process was to check the reproducibility of these samples,  thus we can get ‘almost the same’ property as we going into further experiment. 

We  proceed  with  3  batches  of  this  solid‐state  method.  The  results  of  the  replication  of  this  process  were  examined  for  crystallinity  phase  and  electrochemical  test  under  0.1  C  rates.  The  results  of  X‐ray  diffraction  patterns  could  be  seen  in  Figure  5‐4,  in  which  all  of  it  looks  alike.  If  we  take  a  careful 

0 20 40 60 80 100 120 140 160

3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2

Voltage (V)

Capacity (mAh/g)

Cycle 1 Cycle 2 Cycle 5 Cycle 10

(47)

observation into it, we could notice the difference in the relative intensities for all  those three patterns. 

 

Figure 5‐4 Replication of solid‐state LiFePO4 

Based  on  above  results,  we  tried  a  different  way  to  prepare  our  LiFePO

4

  sample. Since we notice that the problems that might occurs in our samples due  to the amount of Iron that couldn’t be exactly controlled and the different state  of vacuum, thus gave effects in the contact in between the iron and the oxygen  that  occur  to  be  in  the  atmosphere.  Later,  we  proceed  by  using  high  water  dissolution  material  as  the  precursors;  those  were  LiOH.H

2

O,  FeSO

4

.7H

2

O,  and  NH

4

H

2

PO

4

 as the precursor of lithium, iron, and phosphate, respectively. 

1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5

J C P D S 1 s t b a t c h 2 n d b a t c h

Intensity (a.u.)

2 t h e t a

3 r d b a t c h

數據

Figure  3‐6  shows  the  actual  of  the  olivine  LiFePO 4 .  The  octahedral  in  this  structure  distinct  in  size  and  its  crystallographic  structure,  thus  favoring  the  MM’XO 4   [35],  one  is  occupying  the  corner‐shared  octahedral  ‐  oc
Figure  5‐7  clearly  describes  the  decrease  in  capacity  compared  to  the  previous results, mainly due to lacking of conductive network within the structure  of LiFePO 4 . Thus we tried to further enhance its performance by introducing the  conducti

參考文獻

相關文件

The purpose of this research is to explore the important and satisfaction analysis of experiential marketing in traditional bakery industry by using Importance-Performance and

The results of this study found that the experimental group had higher scores than the control group, demonstrated the curricula of the global warming, energy-saving and

For the next nitrogen delivery system, In this study, the high-tech industry, nitrogen supply, for example, to explore in depth the relationship between

The objective is to evaluate the impact of personalities balance in a project management team on the team’s performance.. To verify the effectiveness of this model, two

This study aims to explore whether the service quality and customer satisfaction have a positive impact on the organizational performance of the services and whether the

This study is conducted according to a Green Buildings Hand Book published by the Ministry of the Interior .Both the carbon neutral index and green quantity index

This research does a survey on their children’s academic performance and the life adjustment at school, and studies how the backgrounds of the mothers of

This result can be attributed to a fact that metal-doped titania photocatalyst with the narrowest band gap is capable of generating better redox ability of