DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS
Techniques for creating composite organic-inorganic materials by applying optically transparent polymers to the surface of the organic-inorganic perovskite CH3NH3PbI3 and composite cathode materials by modifying the surface of commercial cathode materials of the LiNixCoyAlzO2/LiNixMnyCozO2(NCA/NMC)...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2024
|
| Онлайн доступ: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/648 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871466034279481344 |
|---|---|
| author | Torchyniuk, Pavlo Lisovskyi, Ivan Belous , Anatolii |
| author_facet | Torchyniuk, Pavlo Lisovskyi, Ivan Belous , Anatolii |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Pavlo Torchyniuk",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine, Palladina ave., 32\/34, Kyiv, 03142, Ukraine mob. phone. (+38099) 727-98-06"
},
{
"author": "Ivan Lisovskyi",
"institution": "Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of the Ukrainian National Academy of Sciences"
},
{
"author": "Anatolii Belous ",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Torchyniuk, Pavlo |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:54Z |
| description | Techniques for creating composite organic-inorganic materials by applying optically transparent polymers to the surface of the organic-inorganic perovskite CH3NH3PbI3 and composite cathode materials by modifying the surface of commercial cathode materials of the LiNixCoyAlzO2/LiNixMnyCozO2(NCA/NMC)type with nanoparticles of lithium oxide conductive material Li1.3Al .3Ti1.7(PO4)3 (LATP) have been developed.
It was shown that, depending on the type of polymer, CH3NH3PbI3 perovskite degrades due to the formation of different amounts of additional crystalline phases.It was established that the degree of degradation of the perovskite (1:2) CH3NH3PbI3 film is 100% after 220 days of influence to moisture and oxygen. Under the influence of moisture and oxygen for 500 days, perovskite/polymer films: PVB, SOC, and PVDC degrade only by 1.55%, 1.65% and 3.5%, respectively, which is 65, 60 and 29 times less than for pure perovskite CH3NH3PbI3.
The dependence of the electrochemical characteristics of a layered cathode material containing NCA/NMCon the method for applying a protective layer (mechanical application and sol-gel method) of nanoparticles of the lithium-conducting material LATP with a NASICON structure to its surface has been studied.It was found that for composite cathode materials based on NMC 111, the capacity drop during 80 charge/discharge cycles is reduced by 10–14% compared to the initial NMC 111. At the same time, the suitability of the cathode material NMC 111m(T) for the rapid charge/discharge process is 4–6% higher than that of the initial cathode material.It is shown that both investigated methods of creating composite materials based on cathode materials with a high nickel content (NMC 811 and NCA) and LATP nanoparticles do not lead to improvement of their electrochemical characteristics. |
| doi_str_mv | 10.33609/2708-129X.90.3.2024.18-32 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:43:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
18 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
УДК 620.92:[502.21:523.9+621.355] doi: 10.33609/2708-129X.90.3.2024.18-32
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ
СТАБІЛЬНІСТЮ ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ
ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМ
П. В. Торчинюк*, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України,
просп. Академіка Палладіна, 32/34, Київ 03142, Україна
* e-mail: pasha.torchyniuk@gmail.com
Розроблено методики створення двох типів композиційних матеріалів: органо-не-
органічних перовськітів шляхом нанесення оптично прозорих полімерів на поверхню
органо-неорганічного перовськіту CH3NH3PbI3 та літій-провідних оксидів – модифі-
кації поверхні комерційних катодних матеріалів типу LiNixCoyAlzO2/LiNixMnyCozO2
наночастинками оксидного літій-провідного матеріалу Li1+xAlxTi2‑x(PO4)3. Показано,
що залежно від типу полімеру відбувається деградація перовськіту CH3NH3PbI3 че-
рез утворення різної кількості додаткових кристалічних фаз. Під впливом вологи та
кисню протягом 500 днів плівки перовськіт/полімер: PVB, СОС та PVDC деградують
лише на 1,55%, 1,65% та 3,5% відповідно, що у 65, 60 та 29 разів менше, ніж для чистого
перовськіту CH3NH3PbI3.
Виявлено залежність електрохімічних характеристик катодних матеріалів від мето-
ду нанесення захисного покриття (механічне нанесення і золь-гель-метод). Встанов-
лено, що для композиційних катодних матеріалів на основі NMC 111 падіння ємності
впродовж 80 циклів заряд/розрядного циклування зменшується на 10–14% порівня-
но з вихідним NMC 111. Водночас придатність катодного матеріалу NMC 111m (T) до
швидкого заряд/розрядного процесу є на 4–6% вищою, ніж у вихідного катодного ма-
теріалу.
Ключові слова: сонячні елементи, органо-неорганічний перовськіт, літій-іонні аку-
мулятори, катодні матеріали, стабільність характеристик.
ВСТУП. В останні роки проблема енерго
забезпечення стала однією з найбільш ак-
туальних у світі. Враховуючи невпинне
збільшення кількості населення на планеті,
для підтримання нинішнього рівня життя
країни в усьому світі повинні збільшити
виробництво енергії у декілька разів. Ви-
користання вуглеводнів, вугілля та інших
видів викопного палива для отримання
енергії призводить до значних викидів
19https://ucj.org.ua
П. В. Торчинюк, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус УХЖ № 3 / ТОМ 90
вуглекислого газу в атмосферу, що зумов-
лює зростання парникового ефекту. Загост
рення енергетичних і екологічних проблем
зумовлює все більший інтерес до пошуку
економічно ефективних і екологічно без-
печних джерел відновлювальної енергії.
Однак розвиток альтернативної енергети-
ки неможливий без розроблення енергоге-
неруючих та енергоакумулюючих систем.
Нещодавно органо-неорганічні перов-
ськіти привернули увагу наукової спільно-
ти завдяки високій ефективності перетво-
рення сонячної енергії [1]. Ці сполуки ма-
ють кілька ключових властивостей, що ро-
блять їх перспективним для використання
в фотоелектричних технологіях. Основною
перевагою органо-неорганічних перовські-
тів є висока ефективність перетворення со-
нячної енергії за порівняно низьких витрат
на виробництво. Це дозволяє знижувати
собівартість сонячних панелей, що робить
ці матеріали привабливими для комерцій-
ного використання. Протягом десятиліт-
тя ефективність перетворення сонячної
енергії елементами на основі органо-неор-
ганічного перовськіту зросла до 25,2% [2].
Досягнути цього ефекту вдалося завдяки
вдосконаленню конструкцій сонячних еле-
ментів [3, 4], додаванню нових провідних
шарів (n- і p-типу), покращенню якості
плівки перовськіту.
Органо-неогранічні перовськіти харак
теризуються низькою швидкістю рекомбі
нації носіїв заряду, що сприяє більш ефек-
тивному переносу електронів і дірок, висо-
кою рухливістю носіїв заряду [5] та вели-
кою довжиною дифузії [6], що забезпечує
їхню ефективність у фотоелектричних при-
строях. Завдяки прямозонній структурі,
яка дозволяє ефективно поглинати світло,
особливо в видимій і ультрафіолетовій час
тинах спектра, перовськітам притаманний
високий коефіцієнт оптичного поглинан-
ня. Враховуючи вищезазначені переваги,
органо-неорганічні перовськіти є перспек-
тивними матеріалами для використання в
сонячних елементах, оскільки вони здатні
вбирати більшу кількість сонячної енергії.
Унікальна кристалічна структура органо-
неорганічних перовськітів дозволяє змі-
нювати їхні електронні властивості шля-
хом варіювання складу матеріалу (зміна
типу органічних молекул або неорганічних
катіонів, аніонів), що відкриває нові мож-
ливості для оптимізації різних типів фото
електричних пристроїв, а також для інших
застосувань, таких як світлодіоди, лазери.
Для органо-неорганічних перовськітів ха-
рактерна структурна деградація при впли-
ві зовнішніх чинників (вологи, темпера-
тури, ультрафіолетового випромінювання
тощо) [7–10]. Незважаючи на унікальність
їхніх характеристик, питання стабільності,
довговічності та екологічної безпеки цих
матеріалів залишаються важливими ас-
пектами, які потребують подальших дослі-
джень.
Оскільки енергію від альтернативних
джерела неможливо отримувати цілодобо-
во, постає завдання її накопичення та збе-
рігання. Найбільш ефективними пристро-
ями для вирішення цих завдань на сьогодні
є літій-іонні акумулятори (ЛІА). Перспек-
тивним типом катодних матеріалів для ЛІА,
завдяки високій питомій ємності та потен-
ційно високій щільності енергії, вважають
шаруваті оксиди LiNixCoyAlzO2 (NCA) та
LiNixMnyCozO2 (NMC) (x + y + z = 1) [11].
Однак характеристики катодних матері-
алів цього типу істотно погіршуються в
20 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ СТАБІЛЬНІСТЮ
ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
процесі заряд/розрядного циклування че-
рез міжфазну реакцію між матеріалом ка-
тода та рідким електролітом, що призво-
дить до переходу Co3+ у Co4+ та руйнування
структури NMC/NCA через розупорядку-
вання іонів Li+ та Ni2+ у кристалічній ґратці.
Шляхом вирішення цієї проблеми є ство-
рення композиційних матеріалів за раху-
нок модифікації поверхні катодних мате-
ріалів тонким шаром захисного покриття,
що запобігає прямому контакту катодного
матеріалу з електролітом та пригнічує па-
разитичні побічні процеси. Зазвичай для
створення захисного покриття на поверхні
частинок катодних матеріалів використо-
вують хімічно стійкі (в контакті з електро-
літом) та електрохімічно інертні матеріали
(такі як FePO4, Al2O3, AlPO4 та ін.). Однак
це погіршує швидкісні характеристики ка-
тодних матеріалів, оскільки такі захисні
покриття характеризуються низькою елек-
тронною провідністю та низьким коефіці-
єнтом дифузії іонів літію. Використання
матеріалів із високою іонною провідні-
стю для створення захисного шару може
збільшити швидкість заряду акумулятора,
оскільки ключовим етапом, що обмежує
швидкість міграції Li+ під час заряду/роз-
ряду, є дифузія Li+ від однієї частинки до
іншої всередині активного матеріалу [13].
Перспективним матеріалом для створення
захисного шару є сполуки літій, алюміній
титанфосфатів, загальна хімічна формула
яких має вигляд Li1+xAlxTi2‑x(PO4)3 (LATP) зі
структурою NASICON. Ці матеріали стійкі
до дії води та повітря, володіють високою
іонною провідністю (~10-4 См/см за кімнат-
ною температурою), мають широке вікно
електрохімічної стабільності [14].
Метою цієї роботи є розроблення ком-
позиційних матеріалів двох типів: орга-
но-неорганічних перовськітів CH3NH3PbI3
і шаруватих оксидів LiNixCoyAlzO2 (NCA) /
LiNixMnyCozO2 (NMC) та дослідження їхніх
фізико-хімічних властивостей.
ЕКСПЕРИМЕНТ ТА ОБГОВОРЕННЯ
РЕЗУЛЬТАТІВ.
Матеріали. Для синтезу органо-неор-
ганічних перовськітів як вихідні реагенти
використовували йодид свинцю (PbI2) і ме-
тиламоній йодид (CH3NH3I). Як розчинник
використовували зневоднений диметил-
сульфоксид (DMSO, х.ч.). Для отримання
плівок CH3NH3РbІ3 вихідні реагенти PbI2 та
CH3NH3I у співвідношенні 1: 2 розчиняли
у DMSO та перемішували при 70 °С упро-
довж 1 години. Формування кристалічних
плівок CH3NH3РbІ3 проводили в сухому
боксі. Попередньо отриманий прозорий
розчин наносили на очищені підкладки
зі скла методом spin-coating зі швидкістю
1200 об/хв протягом 30 с. Термічне обро-
блення плівок проводили на попередньо
нагрітій до 190 °С плитці протягом 15 хв.
Для синтезу літій-провідних матеріалів
Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 золь‑гель-методом як ви-
хідні реагенти використовували карбонат
літію Li2CO3 (х.ч.), водний розчин нітрату
алюмінію Al(NO3)3 (х.ч.), діацетилацетонат
діізопропілат титану (IV) C16H28O6Ti (ос.ч.),
85%-ву ортофосфорну кислоту H3PO4 (х.ч.),
65%-ву азотну кислоту HNO3 (ос.ч.), 25%-
й водний розчин аміаку NH4OH (х.ч.), ли-
монну кислоту (CA) (х.ч.) та етиленгліколь
(EG) (х.ч.). Методику синтезу детально
описано у роботі [15]. Як катодні матері-
али використовували комерційні зразки
LiNi0.84Co0.12Al0.04O2(NCA), LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2
(NMC 811) та LiNi0.3Mn0.3Co0.3O2 (NMC 111)
виробництва MTI Co.
21https://ucj.org.ua
П. В. Торчинюк, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус УХЖ № 3 / ТОМ 90
Отримання композиційних органо-не-
органічних та літій-провідних катодних
матеріалів. Створення композиційних ор
гано-неорганічних матеріалів відбувалося
шляхом нанесення розчину полімеру (по-
лівінілбутираль PVB, полівініліденхлорид
PVDC, циклоолефін кополімер COC) із
концентрацією полімеру 5 мас. % у хлоро-
формі на плівку перовськіту CH3NH3PbI3
методом spin-coating із подальшим термоо-
бробленням при 85 °С упродовж 15 хвилин.
Створення композиційних літій-провід-
них матеріалів відбувалося шляхом фор-
мування захисного шару LATP на поверхні
частинок катодних матеріалів за допомо-
гою двох методів – механічного змішуван-
ня заздалегідь синтезованих наночастинок
LATP із частинками катодного матеріалу та
введенням частинок катодних матеріалів
у реакційну ємність під час синтезу LATP
золь-гель-методом. У роботі одержано та
досліджено наступні групи катодних мате-
ріалів: без захисного шару LATP (вихідні);
із захисним шаром LATP, нанесеним ме-
ханічним методом (надалі позначаються
NMCm (T)/ NCAm (T)); із захисним шаром
LATP, нанесеним золь-гель-технологією
(NMCsol-gel/NCAsol-gel). Катодну масу було
виготовлено шляхом змішування вихід-
них та модифікованих зразків NMC із са-
жею та графітом за співвідношень 85: 7: 4:
4 мас. % у розчині полівініліденфториду
(ПВДФ) у N-метил-піролідоні. Графіт SFG-
6L та сажу C65 було отримано від компа-
нії Timcal, Швейцарія. Cуспензію наносили
на алюмінієвий струмовий колектор тов-
щиною 20 мкм за допомогою аплікатора
DoctorBlade. Для видалення органічного
розчинника колектор із нанесеною катод-
ною масою сушили впродовж 30 хвилин за
температури 100 °С. Електрод прокатували
через валки для ущільнення катодного ма-
теріалу. Електроди вирізали у вигляді дис-
ків діаметром 16 мм та додатково сушили
за температури 120 °С упродовж 12 год у ва-
куумі. Літієвий електрод було виготовлено
у рукавичному боксі фірми MBraun (США),
заповненому аргоном. Вміст парів води та
молекулярного кисню у боксі не перевищу-
вав 5 мг/кг. Аноди було вирізано у вигляді
дисків діаметром 16 мм із літієвої стрічки
товщиною 0,4 мм. Експериментальні зраз-
ки ЛІА було побудовано з використанням
корпусних деталей первинних елементів
монетної конструкції CR 2016. У корпусі
елемента розміщували просочений елек-
тролітом (1 М розчином LiPF6 у суміші роз-
чинників – етиленкарбонат / диметилкар-
бонат / диетиленкарбонат у співвідношенні
1 : 1 : 1), сепаратор Celgard 2400 товщиною
25 мкм.
Обладнання. Фазовий склад зразків
встановлено рентгенографічним методом
за дифрактограмами порошків, знятих на
установці «ДРОН-4-07» (СuKα-випромі-
нювання і Ni фільтр) в інтервалі 2θ = 5–50°
із кроком зйомки 0,04° та експозицією 4 с
для органо-неорганічних перовськітів та
в інтервалі 2θ = 10–70° із кроком зйомки
0,02° та експозицією 10 с – для літій-про-
відних матеріалів.
Вимірювання заряду/розряду лабора
торних напівелементів проводили за до-
помогою багатоканальних потенціостатів
ARBIN (MITSProSoftwareMSTAT 32, Arbin
Corporation, USA) і VMP3 (Bio-Logic-Sci
enceInstruments, Франція). Для встановлен-
ня повторюваності одержаних результатів
було досліджено серії з 3-х комірок з одна-
ковим складом електродного матеріалу.
22 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ СТАБІЛЬНІСТЮ
ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
Властивості композиційних плівок на
основі органо-неорганічного перовськіту та
полімерів. Для створення композиційних
органо-неорганічних матеріалів використо-
вували плівки перовськіту CH3NH3PbI3, на
які наносили шар полімерів різних типів:
нечутливий до вологи (полівінілбутираль
PVB), нечутливий до кисню (циклоолефін
кополімер COC), чутливий до вологи та кис-
ню (полівініліденхлорид PVDC). Для ство-
рених композиційних матеріалів та плівки
перовськіту CH3NH3PbI3 проводили дослі-
дження стійкості до дії вологи та кисню (при
освітленні). Стійкість отриманих плівок ви-
значали за вмістом додаткових кристалічних
фаз, що утворюються при деградації плівок
під впливом вологи та кисню (при освітлен-
ні) протягом 500 днів (рис. 1).
Рис. 1. Рентгенограми плівок перовськіту, отриманих при співвідношенні вихідних реагентів PbI2:
CH3NH3I –1:2 у розчиннику DMSO, та композиційних плівок перовськіт/полімер: PVB, COC, PVDC.
Fig. 1. X-raydiffraction patterns of perovskite films obtained at a ratio of initial reagents PbI2:
CH3NH3I–1:2 in DMSO solvent, and perovskite/polymer composite films: PVB, COC, PVDC.
23https://ucj.org.ua
П. В. Торчинюк, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус УХЖ № 3 / ТОМ 90
На рис.1 показано, що плівка перовські-
ту (1: 2) CH3NH3PbI3 при впливі вологи та
кисню розкладається на CH3NH3PbI3·H2O
та PbI2. Водночас композиційні плівки
деградують значно повільніше, ніж плів-
ка перовськіту CH3NH3PbI3. Для плівок
перовськіт (1:2)/PVB спостерігається де-
градація з утворенням PbI2·DMSO. Для
плівок перовськіт (1:2)/СОС додаткови-
ми фазами, які утворюються при деграда-
ції під дією вологи та кисню, є PbO·xH2O
та PbI2·DMSO. При використанні полі-
меру PVDC деградація перовськіту (1: 2)
відбувається через утворення трьох до-
даткових фаз: PbO·xH2O, PbI2·DMSO та
(CH3NH3)4PbI6·2H2O.
Встановлено, що плівка органо-неорга
нічного перовськіту повністю розкладаєть-
ся (на 100%) протягом 220 днів під впли-
вом зовнішніх чинників (рис.1). Водночас
плівки перовськіт/PVB, перовськіт/СОС,
перовськіт/PVDC деградують протягом
220 днів під впливом вологи та кисню лише
на 0,68%, 1,1% та 1,15% відповідно (рис. 2).
Використання PVDC, СОС, PVB сприя-
ло підвищенню стійкості плівок до дії во-
логи та кисню (при освітленні) протягом
220 днів у 87, 91 та 147 разів відповідно.
Впродовж наступних 280 днів під дією во-
логи та кисню композиційні плівки перов-
ськіт/PVB, перовськіт/СОС, перовськіт/
PVDC руйнуються на 0,87%, 0,55% та 2,35%.
Рис. 2. Вміст додаткових фаз під час
деградації композиційних перовськіт/
полімерних плівок: 1 – PVB, 2 – COC,
3 – PVDC, залежно від часу впливу во
логи та кисню (при освітленні)
Fig. 2. The content of additional phas-
es during the degradation of composite
perovskites/polymer films: 1 – PVB, 2 –
COC, 3 – PVDC, depending on the time
of exposure to moisture and oxygen (under
illumination).
На основі отриманих значень можна
стверджувати, що на 500-й день досліджень
використання полімерів PVDC, СОС, PVB
для створення композиційних органо-не-
органічних матеріалів дозволило підвищи-
ти стійкість плівок до дії вологи та кисню
(при освітленні) у 29, 60 та 65 разів відпо-
відно. Таким чином, композиційні плівки
перовськіт/PVB, перовськіт/СОС та пе-
ровськіт/PVDC є значно стійкішими, ніж
плівка органо-неорганічного перовськіту
CH3NH3PbI3.
Властивості композиційних катодних
матеріалів на основі NCA / NMC та LATP.
Проведено рентгенофазовий аналіз серії
вихідних катодних матеріалів типу NCA /
24 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ СТАБІЛЬНІСТЮ
ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
NMC та композиційних катодних матеріа-
лів з захисним шаром LATP (1 мас. %), на-
несених за допомогою методів механічного
змішування та золь-гель. Результати РФА
представлено на рис. 3. Як видно з рисунку,
рентгенограми всіх зразків відповідають
гексагональній шаруватій структурі типу
α-NaFeO2 з просторовою групою R-3m,
що підтверджується розщепленням піків
(006)/(012). На рентгенограмах катодних
матеріалів із захисним шаром LATP не спо-
стерігаємо піки ромбоедричної структури
NASICON, що пов’язано з низьким вмістом
LATP у досліджуваних системах.
Рис. 3. Рентгенограми вихідних та модифі-
кованих катодних матеріалів типу NCA/NMC.
Римськими цифрами відмічено наявність за-
хисного покриття LATP та метод його нане-
сення: I – вихідні катодні матеріали; II – NCA/
NMCm (T); III – NCA/NMCsol-gel.
Fig. 3. X-ray diffraction patterns of initial and
modified cathode materials of the NCA/NMC
type. Roman numerals indicate the presence of
LATP protective coating and the method of its ap-
plication: I – initialcathode materials; II – NCA/
NMCm(T); III – NCA/NMCsol-gel.
Для електрохімічних комірок із катода-
ми, виготовленими із вихідних та компози-
ційних катодних матеріалів (NMC/NCAm (T)
та NMC/NCAsol-gel), проведено гальваноста-
тичне заряд-розрядне циклуванняв діапазо-
ні напруг 2,4–4,2 В за густини струму 0.2 С.
Результати наведено на рис. 4.
Рис. 4. Заряд/розрядні криві перших циклів
комірок з вихідними та композиційними ка
тодними матеріалами: а – NCA; б – NMC 811;
в – NMC 111
Fig. 4. Charge/discharge curves of the first cy-
cles of cells with initial and composite cathode ma-
terials: а – NCA; b – NMC 811; c – NMC 111.
25https://ucj.org.ua
П. В. Торчинюк, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус УХЖ № 3 / ТОМ 90
Для досліджуваних матеріалів розрахо-
вано питомі ємності та наведено значення
ΔQзаряд.та ΔQрозряд., які відображають відхи-
лення початкових зарядних та розрядних
ємностей катодних матеріалів із захисним
покриттям відносно аналогічних значень
вихідних катодних матеріалів (таблиця 1).
Таке співвідношення дозволяє більш на-
очно оцінити зміну ємностей внаслідок
нанесення захисного покриття LATP. За ре-
зультатами дослідження (рис. 4 та табл. 1)
вихідних та композиційних катодних мате-
ріалів (із захисним покриттям) виявлено,
що у випадку катодних матеріалів NCA та
NMC 811 нанесення захисного шару з нано-
частинками LATP на поверхню катодного
матеріалу за допомогою золь-гель-методу
призводить до значного (>50%) зменшення
початкових заряд/розрядних ємностей по-
рівняно з вихідними катодними матеріала-
ми без захисного покриття.
Таблиця 1
Початкові ємності вихідних та композиційних катодних матеріалів із захисним по
криттям LATP
Table 1.
Initial capacities of initial and composite cathode materials with LATP protective coating.
Катодний
матеріал
Зарядна ємність,
мАгод/г
Розрядна ємність,
мАгод/г ΔQзаряд., % ΔQрозряд., %
NСА 151,08 149,33 – –
NСАm (T) 131,69 129,76 12,83 13,11
NСАsol-gel 65,75 54,74 56,48 63,34
NMC 811 184,81 183,82 – –
NMC 811m (T) 152,51 151,24 17,48 17,72
NMC 811sol-gel 55,50 45,01 69,97 75,51
NMC 111 142,25 141,01 – –
NMC 111m (T) 138,43 137,23 2,69 4,42
NMC 111sol-gel 129,69 128,41 8,83 8,94
У зв’язку зі значним падінням початко-
вих заряд/розрядних ємностей, подальші
електрохімічні дослідження катодних ма-
теріалів NCA та NMC 811 і з захисним ша-
ром LATP, нанесеним золь-гель методом, не
проводили. Водночас ці катодні матеріали
із захисним шаром, нанесеним механічним
методом, демонструють менше падіння по-
чаткових заряд/розрядних ємностей (на
рівні 13–18%). У випадку NMC 111 нане-
сення захисного шару за допомогою двох
досліджуваних методів не спричиняє вели-
ких втрат питомих ємностей катодних ма-
теріалів, а призводить лише до незначного
26 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ СТАБІЛЬНІСТЮ
ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
їх зменшення відносно вихідного катодно-
го матеріалу.
На рис. 5 наведено залежність питомої
ємності вихідних та композиційних катод-
них матеріалів від густини струму заряду/
розряду в діапазоні напруг 2,5–4,2 В.
Рис. 5. Питома ємність вихідних та ком
позиційних катодних матеріалів із захисним
шаром LATP за різних густин струму: а – NCA;
б – NMC 811; в– NMC 111
Fig. 5. Specific capacity of the initial and com-
posite cathode materials with a LATP protective
layer at different C-rates: a – NCA; b – NMC 811;
c – NMC 111.
Вочевидь питома ємність всіх зразків зі
збільшенням густини струму зменшується.
Варто зазначити, що придатність катодних
матеріалів NCA та NMC 811, модифіко-
ваних методом механічного змішування,
до швидкого заряд/розрядного процесу
поступаються вихідним катодним матері-
алам (рис. 5 а, 5 б), оскільки їхні ємності
зменшуються більш стрімко зі збільшен-
ням струмового навантаження. У випадку
NMC 111 катодний матеріал, модифікова-
ний механічним методом, демонструє кра-
щу придатність до швидкого заряд/розряд-
ного процесу, тоді як катодний матеріал,
модифікований золь-гель-методом, посту-
пається вихідному NMC 111 за зазначеною
характеристикою. Ємність NMC 111m(T)
перевищує ємність вихідного NMC 111 за
різних струмових навантажень на 4–6 %.
Враховуючи вищезазначене, можна зро-
бити висновок, що нанесення захисного
шару з наночастинок LATP дозволяє під-
вищити питому ємність катодного мате-
ріалу NMC 111 за високих густин струму,
однак цей підхід не призвів до покращен-
ня придатності до швидкого заряд/розряд-
ного процесу катодних матеріалів NCA та
NMC 811.
На рис. 6 показано результати гальвано-
статичного циклування лабораторних напі-
велементів із катодами на основі вихідних
та композиційних катодних матеріалів з лі-
тієвими протиелектродами за температури
12 °C у діапазоні напруг 2,7–4,3 В замість
4,2 В, які використовують зазвичай. Зни-
ження температури та підвищення напруги
при циклуванні дозволяє краще визначити
вплив захисного покриття, оскільки ці змі-
ни призводять до збільшення швидкості де-
градації характеристик катодного матеріалу
27https://ucj.org.ua
П. В. Торчинюк, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус УХЖ № 3 / ТОМ 90
[16, 17]. Оскільки зменшення ємності комі-
рок під час тривалого циклування напіве-
ментів загалом пов’язано з низькою цикліч-
ною стабільністю літієвого електрода [18]
та утворенням дендритів на його поверхні,
нами було прийнято рішення обмежити до-
слідження 80 циклами.
Рис. 6. Зміна питомої ємності вихідних та композиційних катодних матеріалів
із захисним покриттям LATP впродовж заряд/розрядного циклування
за густини струму 0.2 С: а – NCA; б – NMC 811; в – NMC 111
Fig. 6. Change in the specific capacity of the initial andcomposite cathode materials with
a protective coating of LATP during charge/discharge cycling at a current
density of 0.2 C: a – NCA; b – NMC 811; c – NMC 111.
28 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ СТАБІЛЬНІСТЮ
ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
З рис. 6 а видно, що ємність катодного
матеріалу NCA із захисним покриттям, на-
несеним механічним методом, поступаєть-
ся ємності вихідного катодного матеріалу
на всьому інтервалі циклування. Нанесен-
ня покриття з наночастинок LATP дозво-
ляє зменшити падіння ємності впродовж
заряд/розрядного циклування, але не при-
звело до суттєвого підвищення стабільнос-
ті характеристик катодного матеріалу NCA.
Для NMC 811 (рис. 6б) початкова ємність
вихідного катодного матеріалу значно пе-
ревищує початкову ємність катодного ма-
теріалу із захисним покриттям LATP. Також
слід відмітити, що катодний матеріал NMC
811m(T) демонструє значно більш стрімке
зменшення ємності впродовж заряд/роз-
рядного циклування порівняно з вихідним
катодним матеріалом NMC 811.
Характер зміни ємності катодних мате-
ріалів NMC 111 впродовж заряд/розрядно-
го циклування істотно відрізняється. Ви-
хідний катодний матеріал NMC 111 на по-
чатку заряд/розрядного циклування харак-
теризується вищою ємністю, ніж катодні
матеріали із захисним шаром LATP. Однак
ємність вихідного NMC 111 стрімко змен-
шується після 60-го циклу, тоді як катодні
матеріали NMC 111m(T) та NMC 111sol-gel
демонструють значно кращу стабільність.
Це призводить до того, що після 60-го ци-
клу обидва катодні матеріли з шаром LATP
мають вищу ємність, ніж вихідний NMC
111. Падіння ємності для вихідного катод-
ного матеріалу NMC 111 на 80-й цикл ста-
новить ~ 6%, тоді як композиційкі катодні
матеріали характеризуються підвищенням
розрядних ємностей в процесі заряд/роз-
рядного циклування. Для NMC 111m(T)
ємність збільшується на ~ 4,5% впродовж
80 циклів, а для NMC 111sol-gel – на 8%.
Це можна пояснити частковою дифузією
іонів титану та алюмінію із захисного шару
в об’єм катодного матеріалу. Це призводить
до зміни розміру іон-провідних каналів та
покращує характеристики катодних мате-
ріалів, на що також вказують автори низки
праць [19–21].
ВИСНОВКИ. Розроблено методики ство-
рення композиційних органо-неорганіч-
них матеріалів шляхом нанесення оптич-
но прозорих полімерів на поверхню орга-
но-неорганічного перовськіту CH3NH3PbI3
та композиційних катодних матеріалів
шляхом модифікації поверхні комерційних
катодних матеріалів типу NMC/NCA на-
ночастинками оксидного літій-провідно-
го матеріалу LATP. Показано, що залежно
від типу полімеру відбувається деградація
перовськіту CH3NH3PbI3 через утворення
різної кількості додаткових кристалічних
фаз. Встановлено, що плівка перовськіту
(1 : 2) CH3NH3PbI3 повністю розкладається
на PbI2 на 220-й день під впливом вологи
та кисню. Використання полімерів PVDC,
СОС та PVB значно підвищує стійкість
плівок перовськіт/полімеру до дії вологи
та кисню (при освітленні). Під впливом
вологи та кисню протягом 500 днів плівки
перовськіт/полімер: PVB, СОС та PVDC
деградують лише на 1,55%, 1,65% та 3,5%
відповідно, що у 65, 60 та 29 разів менше,
ніж для чистого перовськіту CH3NH3PbI3.
Це свідчить про значно вищу стабільність
композиційних матеріалів.
Виявлено залежність електрохімічних
характеристик катодних матеріалів від ме-
тоду нанесення захисного покриття (меха-
нічне нанесення і золь-гель метод). Вста-
новлено, що для композиційних катодних
29https://ucj.org.ua
П. В. Торчинюк, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус УХЖ № 3 / ТОМ 90
матеріалів на основі NMC 111 падіння єм-
ності впродовж 80 циклів заряд/розрядного
циклування зменшується на 10–14% порів-
няно з вихідним NMC 111. Водночас при-
датність катодного матеріалу NMC 111m(T)
до швидкого заряд/розрядного процесу є
на 4–6% вищою, ніж у вихідного катодно-
го матеріалу. Це пов’язано з підвищенням
іонних провідностей катодного матеріалу
із захисним шаром LATP порівняно з ви-
хідним катодним матеріалом. Показано,
що створення композиційного катодного
матеріалу на основі катодних матеріалів із
високим вмістом нікелю (NMC 811 та NCA)
та наночастинок LATP обома досліджени-
ми методами призводить до погіршення
електрохімічних характеристик катодних
матеріалів.
Роботу виконано за фінансової під
тримки НАН України в рамках про
єкту «Синтез та дослідження нано
розмірних функціональних матеріа
лів для енергогенеруючих та енерго
зберігаючих систем» / «Synt hesis and
investigation of nanoscale functional
materials for energy-generating and
energy-saving systems» (реєстрацій
ний номер 0123U103024).
DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS
WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-
GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS.
P.V. Torchyniuk, I.V. Lisovskyi, A.G. Belous
V.I. Vernadsky Institute of General and Inorga
nic Chemistry of National Academy of Sciences
of Ukraine,
32/34 Acad. Palladina ave., 03142 Kyiv, Ukraine
* e-mail: pasha.torchyniuk@gmail.com
Techniques for creating composite organic-
inorganic materials by applying optically
transparent polymers to the surface of the or-
ganic-inorganic perovskite CH3NH3PbI3 and
composite cathode materials by modifying the
surface of commercial cathode materials of the
LiNixCoyAlzO2/LiNixMnyCozO2(NCA/NMC)
type with nanoparticles of lithium oxide con-
ductive material Li1.3Al .3Ti1.7(PO4)3 (LATP)
have been developed.
It was shown that, depending on the type
of polymer, CH3NH3PbI3 perovskite degrades
due to the formation of different amounts of
additional crystalline phases.It was established
that the degree of degradation of the perovskite
(1:2) CH3NH3PbI3 film is 100% after 220 days
of influence to moisture and oxygen. Un-
der the influence of moisture and oxygen for
500 days, perovskite/polymer films: PVB, SOC,
and PVDC degrade only by 1.55%, 1.65% and
3.5%, respectively, which is 65, 60 and 29 times
less than for pure perovskite CH3NH3PbI3.
The dependence of the electrochemical
characteristics of a layered cathode material
containing NCA/NMCon the method for ap-
plying a protective layer (mechanical applica-
tion and sol-gel method) of nanoparticles of
the lithium-conducting material LATP with
a NASICON structure to its surface has been
studied.It was found that for composite ca
thode materials based on NMC 111, the ca-
pacity drop during 80 charge/discharge cycles
is reduced by 10–14% compared to the initial
30 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ СТАБІЛЬНІСТЮ
ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
NMC 111. At the same time, the suitability of
the cathode material NMC 111m(T) for the
rapid charge/discharge process is 4–6% hi
gher than that of the initial cathode material.
It is shown that both investigated methods of
creating composite materials based on cathode
materials with a high nickel content (NMC 811
and NCA) and LATP nanoparticles do not lead
to improvement of their electrochemical cha
racteristics.
Keywords: solar cells, organic-inorganic
perovskite, lithium-ion batteries, cathode ma-
terials, stability of characteristics.
ЛІТЕРАТУРА
1. Kim J.Y., Lee J.W., Jung H.S., Shin H., Park
N.G. High-efficiency perovskite solar cells.
Chemical reviews. 2020. 120 (15). P. 7867–
7918.
2. National Renewable Energy Laboratory. Best
Research-Cell Efficiency Chart. Available
online:
https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
(accessed on 9 March 2020).
3. Valadi K., Gharibi S., Taheri-Ledari R., Akin S.,
Maleki A., Shalan A.E. Metal oxide electron
transport materials for perovskite solar cells:
a review. Environ Chem Lett. 2021. 19 (3).
P. 2185–2207.
4. Calió L., Kazim S., Grätzel M., Ahmad S. Hole-
transport materials for perovskite solar cells.
Angew Chem Int Ed. 2016. 55 (47). P. 14522–
14545.
5. Torchyniuk P.V., V’yunov O.I., Kovalenko
L.L., Ishchenko A.A., Kurdyukova I.V., Belo
us A.G. Influence of Solvent on Stability and
Electrophysical Properties of Organic–Inor
ganic Perovskites Films CH3NH3PbI3. Theo
retical and Experimental Chemistry. 2021. 57.
P. 113–120.
6. Kostylyov V.P., Sachenko A.V., Sokolovskyi
I.O., Vlasiuk V.M., Torchyniuk P.V., V’yunov
O.I., Belous A.G., Shkrebtii A.I. Influence of
the reagents’ ratio on photoelectric and optical
properties of perovskite films for photovoltaics.
Semiconductor Physics, Quantum Electronics &
Optoelectronics. 2021. 24(3). P. 295–303.
7. Ali M. U., Mo H., Rehman A. U., Leung T. L.,
Djurišić A. B. Metal halide perovskites: sta
bility under illumination and bias. Trends in
Chemistry.2024. 6 (5). P. 248–259
8. Zhuang J., Wang J., Yan F. Review on chemical
stability of lead halide perovskite solar cells.
Nano-Micro Letters. 2023. 15(1). P. 84.
9. Leguy A.M., Hu Y., Campoy-Quiles M.,
Alonso M.I., Weber O.J., Azarhoosh P., Van
Schilfgaarde M., Weller M.T., Bein T., Nel
son J., Docampo P. Reversible hydration of
CH3NH3PbI3 in films, single crystals, and
solar cells. Chemistry of Materials. 2015. 27(9).
P. 3397–3407.
10. Li B., Li S., Gong J., Wu X., Li Z., Gao D., Zhu Z.
Fundamental understanding of stability for
halide perovskite photovoltaics: The impor
tance of interfaces. Chem. 2024. 10(1). P. 35–
47.
11. Myung S. T., Maglia F., Park K. J., Yoon C. S.,
Lamp P., Kim S. J., Sun Y. K. Nickel-rich layered
cathode materials for automotivelithium-ion
batteries: achievements and perspectives. ACS
Energy Lett. 2017. 2. P. 196–223.
12. Nguyen D. T., Kang J., Nam K. M., Paik Y.,
Song S. W. Understanding interfacial chemistry
and stability for performance improvement
and fade of high-energy Li-ion battery of
LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2//silicon-graphite. Journal
of Power Sources. 2016. 303. P. 150–158.
13. Gao H., Wu Q., Hu Y., Zheng J. P., Amine K.,
Chen Z. Revealing the rate-limiting Li-ion
diffusion pathway in ultrathick electrodes
for Li-ion batteries. The journal of physical
chemistry letters. 2018. 9(17). P. 5100–5104.
14. Bachman J. C., Muy S., Grimaud A., Chang
H. H., Pour N., Lux S. F., Paschos O., Maglia F.,
31https://ucj.org.ua
П. В. Торчинюк, І. В. Лісовський, А. Г. Білоус УХЖ № 3 / ТОМ 90
Lupart S., Lamp P., Giordano L., Shao-
Horn, Y. Inorganic solid-state electrolytes for
lithium batteries: mechanisms and properties
governing ion conduction. Chem. Rev. 2016.
116 (1). P. 140–162.
15. Lisovskyi I. V., Solopan S. O., Belous A. G.,
Khomenko V. G., Barsukov V. Z. An effective
modification of LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 with
Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 as a high-performance
cathode material for Li-ion batteries. Journal
of Applied Electrochemistry. 2022. 52(12).
P. 1701–1713.
16. Ma S., Jiang M., Tao P., Liu K., Zhu K.,
Yan X., Xu K., Zhang X. Temperature effect
and thermal impact in lithium–ion batteries:
A review. Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2018. 28.
P. 653–666.
17. David L., Mohanty D., Geng L., Kim S.-W.,
Zhang X., Sun X., Lu J. High‐Voltage Perfor
mance of Ni‐Rich NCA Cathodes: Linking
Operating Voltage with Cathode Degradation.
ChemElectroChem. 2019. 6. P. 5571–5580.
18. Kang I. S., Lee Y. S., Kim D. W. Improved
Cycling Stability of Lithium Electrodes in
Rechargeable Lithium Batteries. J. Electrochem.
Soc. 2013. 161. P. A53.
19. Qu X., Yu Z., Ruan D., Dou A., Su M., Zhou Y.,
Liu Y., Chu D. Enhanced electrochemical
performance of Ni–rich cathode materials
with Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 coating. ACS Sustain.
Chem. Eng. 2020. 8. P. 5819–5830.
20. Meng K., Wang Z., Guo H., Li X., Wang D.
Improving the cycling performance of
LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 by surface coating with
Li2TiO3. Electrochim. Acta. 2016. 211. P. 822–
831.
21. Xu Y. D., Xiang W., Wu Z. G., Xu C. L., Li
Y. C., Guo X. D., Zhong B. H. Improving
cycling performance and rate capability of Ni-
rich LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode materials by
Li4Ti5O12 coating. Electrochim. Acta. 2018. 268.
P. 358–365.
REFERENCES
1. Kim J.Y., Lee J.W., Jung H.S., Shin H., Park
N.G. High-efficiency perovskite solar cells.
Chemical reviews. 2020. 120 (15): 7867–7918.
2. National Renewable Energy Laboratory. Best
Research-Cell Efficiency Chart. Available on
line:
https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
(accessed on 9 March 2020).
3. Valadi K., Gharibi S., Taheri-Ledari R., Akin S.,
Maleki A., Shalan A.E. Metal oxide electron
transport materials for perovskite solar cells: a
review. Environ Chem Lett. 2021. 19 (3): 2185–
2207.
4. Calió L., Kazim S., Grätzel M., Ahmad S. Hole-
transport materials for perovskite solar cells.
Angew Chem Int Ed. 2016. 55 (47): 14522–
14545.
5. Torchyniuk P.V., V’yunov O.I., Kovalenko
L.L., Ishchenko A.A., Kurdyukova I.V., Belo
us A.G. Influence of Solvent on Stability
and Electrophysical Properties of Organic–
Inorganic Perovskites Films CH3NH3PbI3.
Theoretical and Experimental Chemistry. 2021.
57: 113–120.
6. Kostylyov V.P., Sachenko A.V., Sokolovskyi
I.O., Vlasiuk V.M., Torchyniuk P.V., V’yunov
O.I., Belous A.G., Shkrebtii A.I. Influence of
the reagents’ ratio on photoelectric and optical
properties of perovskite films for photovoltaics.
Semiconductor Physics, Quantum Electronics &
Optoelectronics. 2021. 24(3): 295–303.
7. Ali M. U., Mo H., Rehman A. U., Leung
T. L., Djurišić A. B. Metal halide perovskites:
stability under illumination and bias. Trends in
Chemistry. 2024. 6 (5): 248–259.
8. Zhuang J., Wang J., Yan F. Review on chemical
stability of lead halide perovskite solar cells.
Nano-Micro Letter. 2023. 15(1): 84.
9. Leguy A.M., Hu Y., Campoy-Quiles M.,
Alonso M.I., Weber O.J., Azarhoosh P., Van
Schilfgaarde M., Weller M.T., Bein T., Nel
son J., Docampo P. Reversible hydration of
CH3NH3PbI3 in films, single crystals, and
32 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2024
РОЗРОБЛЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ІЗ ПІДВИЩЕНОЮ СТАБІЛЬНІСТЮ
ДЛЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧИХ ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ СИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
solar cells. Chemistry of Materials. 2015. 27(9):
3397–3407.
10. Li B., Li S., Gong J., Wu X., Li Z., Gao D., Zhu Z.
Fundamental understanding of stability for
halide perovskite photovoltaics: The impor
tance of interfaces. Chem. 2024. 10(1): 35–47.
11. Myung S. T., Maglia F., Park K. J., Yoon C. S.,
Lamp P., Kim S. J., Sun Y. K. Nickel-rich layered
cathode materials for automotivelithium-ion
batteries: achievements and perspectives. ACS
Energy Lett. 2017. 2: 196–223.
12. Nguyen D. T., Kang J., Nam K. M., Paik Y., Song
S. W. Understanding interfacial chemistry
and stability for performance improvement
and fade of high-energy Li-ion battery of
LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2//silicon-graphite. Journal
of Power Sources. 2016. 303: 150–158.
13. Gao H., Wu Q., Hu Y., Zheng J. P., Amine K.,
Chen Z. Revealing the rate-limiting Li-ion
diffusion pathway in ultrathick electrodes
for Li-ion batteries. The Journal of Physical
Chemistry Letters. 2018. 9(17): 5100–5104.
14. Bachman J. C., Muy S., Grimaud A., Chang
H. H., Pour N., Lux S. F.,Paschos O., Maglia F.,
Lupart S., Lamp P., Giordano L., Shao-
Horn, Y. Inorganic solid-state electrolytes for
lithium batteries: mechanisms and properties
governing ion conduction. Chem. Rev. 2016.
116 (1): 140–162.
15. Lisovskyi I. V., Solopan S. O., Belous A. G.,
Khomenko V. G., Barsukov V. Z. An effective
modification of LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 with
Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 as a high-performance ca
thode material for Li-ion batteries. Journal of
Applied Electrochemistry. 2022. 52(12): 1701–
1713.
16. Ma S., Jiang M., Tao P., Liu K., Zhu K.,
Yan X., Xu K., Zhang X. Temperature effect
and thermal impact in lithium–ion batteries:
A review. Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2018. 28:
653–666.
17. David L., Mohanty D., Geng L., Kim S.–W.,
Zhang X., Sun X., Lu J. High‐Voltage Per
formance of Ni‐Rich NCA Cathodes: Linking
Operating Voltage with Cathode Degradation.
ChemElectroChem. 2019. 6: 5571–5580.
18. Kang I. S., Lee Y. S., Kim D. W. Improved
Cycling Stability of Lithium Electrodes in
Rechargeable Lithium Batteries. J. Electrochem.
Soc. 2013. 161: A53.
19. Qu X., Yu Z., Ruan D., Dou A., Su M., Zhou Y.,
Liu Y., Chu D. Enhanced electrochemical
performance of Ni–rich cathode materials
with Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 coating. ACS Sustain.
Chem. Eng. 2020. 8: 5819–5830.
20. Meng K., Wang Z., Guo H., Li X., Wang D.
Improving the cycling performance of
LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 by surface coating with
Li2TiO3. Electrochim. Acta. 2016. 211: 822–
831.
21. Xu Y. D., Xiang W., Wu Z. G., Xu C. L., Li Y. C.,
Guo X. D., Zhong B. H. Improving cycling
performance and rate capability of Ni-rich
LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode materials by
Li4Ti5O12 coating. Electrochim. Acta. 2018. 268:
358–365.
Стаття надійшла 05.02.2024.
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-648 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:11:30Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/3c/b2881fb69bafdebbc2bc7af0ebd0703c.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-6482026-07-22T08:23:54Z DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS Torchyniuk, Pavlo Lisovskyi, Ivan Belous , Anatolii solar cells, organic-inorganic perovskite, lithium-ion batteries, cathode materials, stability of characteristics. Techniques for creating composite organic-inorganic materials by applying optically transparent polymers to the surface of the organic-inorganic perovskite CH3NH3PbI3 and composite cathode materials by modifying the surface of commercial cathode materials of the LiNixCoyAlzO2/LiNixMnyCozO2(NCA/NMC)type with nanoparticles of lithium oxide conductive material Li1.3Al .3Ti1.7(PO4)3 (LATP) have been developed. It was shown that, depending on the type of polymer, CH3NH3PbI3 perovskite degrades due to the formation of different amounts of additional crystalline phases.It was established that the degree of degradation of the perovskite (1:2) CH3NH3PbI3 film is 100% after 220 days of influence to moisture and oxygen. Under the influence of moisture and oxygen for 500 days, perovskite/polymer films: PVB, SOC, and PVDC degrade only by 1.55%, 1.65% and 3.5%, respectively, which is 65, 60 and 29 times less than for pure perovskite CH3NH3PbI3. The dependence of the electrochemical characteristics of a layered cathode material containing NCA/NMCon the method for applying a protective layer (mechanical application and sol-gel method) of nanoparticles of the lithium-conducting material LATP with a NASICON structure to its surface has been studied.It was found that for composite cathode materials based on NMC 111, the capacity drop during 80 charge/discharge cycles is reduced by 10–14% compared to the initial NMC 111. At the same time, the suitability of the cathode material NMC 111m(T) for the rapid charge/discharge process is 4–6% higher than that of the initial cathode material.It is shown that both investigated methods of creating composite materials based on cathode materials with a high nickel content (NMC 811 and NCA) and LATP nanoparticles do not lead to improvement of their electrochemical characteristics. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2024-04-29 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/648 10.33609/2708-129X.90.3.2024.18-32 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 90 No. 3 (2024): Ukrainian Chemistry Journal; 18-32 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 90 ##issue.no## 3 (2024): Ukrainian Chemistry Journal; 18-32 Український хімічний журнал; Том 90 № 3 (2024): Ukrainian Chemistry Journal; 18-32 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/648/324 Copyright (c) 2024 Pavlo Torchyniuk, Ivan Lisovskyi, Anatolii Belous https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Torchyniuk, Pavlo Lisovskyi, Ivan Belous , Anatolii DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS |
| title | DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS |
| title_full | DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS |
| title_fullStr | DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS |
| title_full_unstemmed | DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS |
| title_short | DEVELOPMENT OF COMPOSITE MATERIALS WITH INCREASED STABILITY FOR ENERGY-GENERATING AND ENERGY-SAVING SYSTEMS |
| title_sort | development of composite materials with increased stability for energy-generating and energy-saving systems |
| topic_facet | solar cells organic-inorganic perovskite lithium-ion batteries cathode materials stability of characteristics. |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/648 |
| work_keys_str_mv | AT torchyniukpavlo developmentofcompositematerialswithincreasedstabilityforenergygeneratingandenergysavingsystems AT lisovskyiivan developmentofcompositematerialswithincreasedstabilityforenergygeneratingandenergysavingsystems AT belousanatolii developmentofcompositematerialswithincreasedstabilityforenergygeneratingandenergysavingsystems |