Автореферат (Разработка и исследование твердофазных электродов литиевого аккумулятора)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыЛитий-ионные аккумуляторы используются на железнодорожном, водноми воздушном транспорте, в космической и военной технике. Они основываютсяна электрохимической системе кобальтат лития – углерод, которая обладаетрядом недостатков: низкий циклический ресурс, пожаро- и взрывоопасность,высокая цена и токсичность. Поэтому был предпринят ряд работ, направленныхна ее модернизацию путем замены как катодных, так и анодных материалов. Внастоящеевремявкачествеперспективногоанодногоматериаларассматривается титанат лития, который обладает высокой теоретическойемкостью и превосходной циклируемостью большими токами.

Титанат литияимеет трехмерную кристаллическую решетку, в которую ион лития можетсвободно интеркалироваться и из которой может деинтеркалироваться безструктурных деформаций. Однако он обладает существенными недостатками –низкими значениями удельной электрической проводимости и коэффициентадиффузии лития. Преодолеть их можно различными путями: уменьшениемразмера частиц, созданием дефектной структуры, покрытием поверхностичастиц углеродом, допированием металлами. Поэтому большое внимание внастоящеевремяуделяетсясовершенствованиютехнологииполучениятитаната лития.Катодный материал на основе феррофосфата лития (LiFePO4) привлекаетзначительное внимание вследствие ряда его преимуществ, таких как невысокаястоимость, слабая токсичность и относительно высокая емкость.

Однако онимеет и существенные недостатки: низкие значения электронной и ионнойпроводимости,приводящиекзаметномупадениюэлектрохимическиххарактеристик при увеличении разрядного тока. Улучшение характеристикэлектродов достигается, главным образом, за счет получения нанодисперсныхпорошков. Одним из перспективных направлений является разработкасмесевых композиций электродных материалов, состоящих из двух (или более)4активных компонентов, с целью использования преимуществ обоих. Благодаряуникальной комбинации свойств такие электроды имеют преимущества:больший ресурс, снижение емкостных потерь при циклировании, уменьшениецены, улучшение термической стабильности, приемлемые профили зарядноразрядных характеристик и др.

Двойной фосфат лития-титана (LiТi2(РО4)3) хотяи уступает несколько LiFePO4 в разрядном потенциале и теоретическойудельной емкости, но обладает высокой проводимостью. Поэтому весьмаперспективным представляется композит LiFePO4/LiТi2(РО4)3.В настоящее время актуально создание на базе появившихся недавновысокоэлектропроводных полимерных электролитов твердофазных электродови литиевых аккумуляторов, не содержащих в своем составе жидкогоэлектролита, обладающих большой энергоемкостью и способностью приниматьлюбую форму.Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевойпрограммы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерстваобразования и науки РФ (2.1.2/264), гранта РФФИ (14-08-31254), госзаданияМинистерства образования и науки РФ (13.688.2014/K).Целью настоящей работы является разработка научно-техническихоснов создания твердофазных электродов литиевых аккумуляторов путемсовершенствования методов синтеза активных материалов, оптимизацииструктурных и энергетических параметров электродов.Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решитьряд научно-технических задач:− Предложить метод синтеза композита литий-железо/литий-титанфосфата и способ изготовления высокоэффективных катодов на его основе.− Разработать метод синтеза титаната лития и способ изготовлениявысокоэффективных анодов на его основе.− Найти оптимальный состав катодов и анодов на основе установлениямакрокинетических закономерностей их функционирования в процессе зарядаразряда.5− Изучить особенности функционирования твердофазных литиевыхаккумуляторов и выработать рекомендации по их использованию.Научная новизна работы состоит в следующем:− РазработанстимулированногооригинальныйтвердофазногометодсинтезапрямогомеханохимическикомпозиционногоматериалаLiFePO4/LiТi2(РО4)3 из многокомпонентной смеси.− Предложен метод синтеза титаната лития, включающий в себяпластическое деформирование прекурсора и дающий возможность получатьнанодисперсную структуру.− Предложенэлектродовсоригинальныйметодиспользованиемизготовленияультразвуковоготвердофазныхдиспергированияипластического деформирования.− Установлено влияние состава твердофазных электродов на ихэнергетические параметры.

Показано, что максимальная удельная емкостьэлектродовдостигаетсяприоптимальномсоотношениимеждуихкомпонентами.Практическая ценность работы заключается в том, что:− Получены новые электродные материалы, которые дают возможностьконструироватьаккумуляторысвысокимизначениямиудельныххарактеристик.− Испытания опытной партии твердофазных литиевых аккумуляторовпоказали, что они имеют преимущества по энергетическим параметрам переданалогами.− Результаты диссертационной работы используются в учебном процессев Национальном исследовательском университете «МЭИ» при подготовкелекций и лабораторного практикума по дисциплинам «Теоретические основыхимических источников тока» и «Энергосберегающая автономная энергетика».6Положения, выносимые на защиту:− Метод прямого механохимически стимулированного твердофазногосинтезакомпозиционногоматериалаLiFePO4/LiТi2(РО4)3измногокомпонентной смеси.− Метод синтеза титаната лития, включающий в себя пластическоедеформирование прекурсора и дающий возможность получать нанодисперснуюструктуру.− Влияние способа изготовления и состава твердофазного катода наэнергетические характеристики аккумулятора на его основе.− Взаимосвязьмеждуэлектрохимическимииструктурнымихарактеристиками положительного электрода.− Сопоставлениеэнергетическихпараметровразработанныхтвердофазных электродов с существующими аналогами.Достоверность результатов проведенных исследований обеспечиваетсяприменением комплекса физико-химических методов анализа; точностьпроведенныхизмеренийсоответствовалапаспортнымданнымсертифицированных приборов; в работе приведены результаты тольковоспроизводимых данных.Апробация работыРезультаты работы докладывались на: 17-й и 21-й Международнойнаучно-технической конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,электротехника и энергетика» (Москва, 2011, 2015); VI Международноймолодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011); 2-йВсероссийской научной конференции с международным участием «Успехисинтеза и комплексообразования» (Москва, 2012); 2-й Всероссийской научнопрактическойконференции«Повышениенадежностииэффективностиэлектрических станций и энергетических систем ЭНЕРГО-2012» (Москва,2012); ХII Международной конференции «Фундаментальные проблемыпреобразования энергии в литиевых электрохимических системах» (Краснодар,2012); 6-й и 7-й Международной школах-семинарах молодых ученых и7специалистов «Энергосбережение – теория и практика» (Москва, 2012, 2014);IX Международной научно-практической конференции «Современные научныедостижения-2013» (Прага, 2013); X Международной научно-практическойконференциинаучные«Актуальныеразработки»(София,2014);Международной научно-практической конференции «Перспективы развитиянауки и образования» (Тамбов, 2015); Международной научно-практическойконференции «Новая наука: проблемы и перспективы» (Стерлитамак, 2015);17-йМеждународнойнаучно-практическойконференции«Актуальныевопросы развития инновационной деятельности в новом тысячелетии»(Новосибирск, 2015).Публикации.

По материалам диссертации опубликованы 20 работ, в томчисле 5 статей в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ,и 1 патент на изобретение РФ.Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыреглавы, заключение, список цитируемой литературы.

Общий объем составляет153 страницы, включая 64 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 158наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьвыбраннойтемы,сформулированы цель и задачи исследований, определены научная новизна ипрактическая значимость работы, представлены положения, выносимые назащиту, указана апробация результатов работы.Первая глава представляет собой литературный обзор, состоящий изтрех разделов. Первый раздел представляет основные тенденции в развитиилитиевых аккумуляторов. Во втором разделе рассмотрены структура, методысинтеза,электрохимическиехарактеристики, достоинстваинедостаткиактивных материалов катода литиевого аккумулятора.

Третий раздел посвященактивнымматериаламанодалитий-ионныхаккумуляторов.Анализ8литературных источников показал актуальность выбранной цели исследованияи позволил сформулировать его задачи.Во второй главе описаны характеристики используемых в работеактивных и конструктивных материалов. Приведено описание приборов,используемых в экспериментальных исследованиях, а также оборудования,применяемого для изготовления активной массы электродов. Показаныметодикиизготовлениялитиевогоанода,электродасравненияитвердополимерного электролита.