Li-ion Diffusion in Porous Carbon Electrode Materials by GITT Method

Abstract

У роботі з використанням методу гальваностатичного переривчастого титрування досліджено процес дифузії іонів літію в пористі вуглецеві електродні матеріали, отримані гідротермальною карбонізацією рослинної сировини при різних температурах. Розраховано коефіцієнт дифузії іонів літію в електродному матеріалі та проаналізовано його залежність від ступеня інтеркаляції x. Встановлено, що при зростанні температури карбонізації вихідної сировини, в результаті чого відбувається видалення газоподібних аліфатичних, а потім ароматичних молекул з низькою молекулярною масою, процеси циклізації та ароматизації молекул, а також інтенсивна карбонізація вихідної сировини, формування вуглецевих шарів та утворення первинних зародків графіту, коефіцієнт дифузії збільшується за рахунок впорядкування структури пористого вуглецевого матеріалу та зменшення його питомої поверхні і загального об’єму пор. При досягненні максимального значення ступеня інтеркаляції коефіцієнт дифузії іонів літію становить 3,6·10 – 12 см2/с (х = 0,28), 7,9·10 – 12 см2/с (х = 0,44) і 1,9·10 – 10 см2/с (х = 0,19) для зразків, отриманих за температури карбонізації 600, 750 і 1000°С відповідно. Проведено порівняльний аналіз значень коефіцієнта дифузії, розрахованими на основі даних гальваностатичного переривчастого титрування та електрохімічної імпедансної спектроскопії.

The process of diffusion of lithium ions into porous carbon electrode materials obtained by hydrothermal carbonization of plant raw materials at different temperatures was the galvanostatic intermittent titration technique. The diffusion coefficient of lithium ions in the electrode material was calculated and its dependence on the intercalation degree x was analyzed. It was found that with the increase in the carbonation temperature of the raw material, which results in the removal of gaseous aliphatic and then aromatic molecules with low molecular weight, processes of cyclization and aromatization of molecules, as well as intensive carbonization of the raw material, the formation of carbon layers and primary graphite nuclei, the coefficient diffusion increases due to ordering the structure of the porous carbon material and reducing its specific surface area and total pore volume. When the maximum value of the intercalation degree is reached, the diffusion coefficient of lithium ions is 3.6·10 – 12 сm2/s (х = 0.28), 7.9·10 – 12 сm2/s (х = 0.44), and 1.9·10 – 10 сm2/s (х = 0.19) for samples obtained at carbonization temperatures of 600, 750, and 1000 °C, respectively. A comparative analysis of the values of the diffusion coefficient, calculated on the basis of the data of galvanostatic intermittent titration technique and electrochemical impedance spectroscopy, was carried out.