КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-13-01388

НазваниеЭлектродные материалы на основе фосфата лития-железа и титаната лития

РуководительЯрославцев Андрей Борисович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2014 г. - 2016 г. 

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словафосфат лития-железа, оливин, титанат лития, литий-ионные аккумуляторы, катодные материалы, анодные материалы, гетеровалентное легирование, точечные дефекты, наноматериалы, композиционные материалы, ионная проводимость, интеркаляция, мессбауэровская спектроскопия

Код ГРНТИ31.15.19


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) широко используются в портативных электронных устройствах, электро- и гибридных двигателях. Растущие потребности в увеличении их емкости и мощности, расширении интервала рабочих температур, повышении безопасности и стабильности определяют актуальность разработки новых материалов для ЛИА. В последние годы внимание исследователей привлекают фосфат лития-железа LiFePO4 со структурой оливина и титанат лития Li4Ti5O12, которые используются в литий-ионных аккумуляторах в качестве катодного и анодного материалов соответственно. Эти материалы характеризуются сходной теоретической емкостью, стабильностью в ходе циклирования. Кроме того, процессы зарядки/разрядки у них протекают в двухфазной области, что обеспечивает малое изменение потенциала в их ходе. Однако проводящие свойства этих материалов недостаточны для оптимальной работы ЛИА. Поэтому основной целью данной работы является модификация LiFePO4 и Li4Ti5O12, направленная на улучшение их электрохимических свойств. В то же время предлагаемые подходы сопряжены с решением фундаментальных проблем ускорения ионного переноса или интеркаляции (деинтеркаляции) атомов металлов в матрицы данных материалов. В ходе выполнения данного проекта предполагается получить катодные материалы на основе фосфата лития железа со структурой оливина и анодные материалы на основе титаната лития, характеризующиеся повышенной скоростью процессов интеркаляции и деинтеркаляции лития. Это будет достигаться за счет направленного формирования в структуре точечных дефектов в результате легирования гетеровалентными катионами. Причем в случае фосфата лития-железа с целью увеличения как токов разряда, так и заряда будет проведено одновременное легирование материала катионами с разным зарядом. Изучаемые материалы будут синтезированы с различным размером частиц, в т.ч. и нанометрового диапазона, что позволит сократить диффузионный путь ионов лития и снизить сопротивление материала в целом. Будут также получены композиционные материалы на основе LiFePO4 и Li4Ti5O12 с углеродсодержащей фазой, что позволит увеличить электронную составляющую проводимости и скорость процессов переноса в межзеренном пространстве. Кроме того, введение углеродсодержащих агентов на стадии формирования частиц исследуемых фосфатов и титанатов позволит также ограничить рост их частиц и получить материалы с меньшим размером и соответственно большими значениями проводимости. Для описания процессов упорядочения при легировании LiFePO4 будет привлекаться мёссбауэровская спектроскопия. На базе полученных экспериментальных данных будет проведен анализ влияния концентрации и природы легирующих катионов на их распределение в структуре и выявлены закономерности изменения свойств в зависимости от природы внедряемых катионов, их концентрации и соотношения. Подобное комплексное исследование ранее не проводилось.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут синтезированы катодные материалы на основе фосфата лития-железа со структурой оливина и анодные материалы на основе титаната лития с улучшенными электрохимическими характеристиками для литий-ионных источников тока. Полученные материалы по своим свойствам не будут уступать мировым аналогам и смогут быть использованы для изготовления литий-ионных аккумуляторах российского производства. В то же время предложенные в проекте подходы сопряжены с решением фундаментальных проблем ускорения ионного переноса или интеркаляции (деинтеркаляции) атомов металлов в матрицы данных материалов. На базе полученных экспериментальных данных будет проведен анализ влияния концентрации и природы легирующих катионов на их распределение в структуре и свойства получаемых материалов. Будут сопоставлены возможности различных методов для модификации исследуемых материалов. Подобное сравнительное описание будет проведено впервые. По результатам проекта будет опубликован ряд статей, в том числе и в высокорейтинговых журналах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Образцы титаната лития, Li4Ti5O12, и его композиционных материалов с углеродом получены с помощью твердофазного, гидротермального и золь-гель методов синтеза. Использовано несколько разновидностей последнего: метод Печини, цитратный и ЭДTA-цитратный методы и метод микроэмульсии (с цетилтриметиламмонийбромидом). При этом варьировались температура финального отжига и содержание хелатирующего агента. Синтезы композиционных материалов проводились в инертной, а также восстановительной атмосферах при различных температурах – 400, 600, 800оС. Полученные материалы охарактеризованы с помощью СЭМ, РФА, 7Li ЯМР и импедансной спектроскопии и термогравиметрии с масс-спектрометрией отводимых газов. В образцах Li4Ti5O12, полученных с помощью гидротермального и твердофазного методов, присутствует значительное количество примеси рутила, в то время как титанаты лития, полученные по золь-гель методу (при аналогичных временах и температурах отжига), согласно данным РФА являются однофазными. При использовании золь-гель и гидротермального методов формирование фазы Li4Ti5O12 начинается лишь при температурах выше 400оС, а получение чистой фазы возможно только при температурах выше 750оС. При этом размер частиц изменяется от 4-5 нм (область когерентного рассеяния) до микронных размеров, что подтверждается также данными просвечивающей электронной микроскопии. Введение второго хелатирующего агента (ЭДTA-цитратный метод) не способствует ни уменьшению размера частиц титаната лития, ни увеличению его ионной проводимости. В случае цетилтриметиламмоний бромида однофазных материалов при используемых температурах и временах отжига получить не удалось. Наименьшими значениями ионной проводимости характеризуются образцы, полученные по методу Печини при 800оС, а наибольшими – материалы, полученные по цитратному методу при 400оС. По данным ЯМР-спектроскопии ионы лития в образцах, полученных отжигом при 400оС, отличаются большей подвижностью по сравнению с таковыми в титанатах лития, полученных при 800оС. Их доля растет с ростом температуры в интервале от 25 до 90оС с 7 до 12%. Причем наиболее подвижными, видимо, являются ионы лития, локализованные в октаэдрических пустотах. Энергия активации перехода лития в подвижное состояние, рассчитанная из полученных данных составляет 7,5±0,9 кДж/моль. Для образцов с малым размером частиц происходит существенное изменение формы зарядно-разрядных кривых, циклических вольтамперограмм, увеличивается скорость процессов заряда и разряда, а также эффективная емкость при циклировании с высокой скоростью. Так для образца Li4Ti5O12, отожженного при 400оС, при плотности тока 800 мА/г (около 5С) она составляет 111,4 мА.ч/г, а при плотности тока 3200 мА/г (около 20С) - 61,3 мА.ч/г. В то же время разрядная емкость образцов, прокаленных при 800оС при токах разряда 20С приближается к нулю. На первых этапах циклирования зарядная емкость материалов, полученных при 400оС, оказывается существенно выше расчетной и быстро понижается при циклировании, в то время как разрядная емкость сохраняется практически неизменной. Этот эффект объяснен формированием структуры Li4Ti5O12 из примесей оксида титана. Разработаны способы синтеза нанодисперсных образцов на основе фосфата лития-железа со структурой оливина, допированных трехвалентными катионами состава Li1 xFe1 xMIIIxPO4 (MIII=Al, Sc, Ga, Y, In, Cr). Охарактеризован фазовый состав, морфология и проводящие свойства синтезированных образцов. Определены степени замещения железа на трехвалентный катион (х) при которых наблюдается растворение M3+ в LiFePO4 с образованием орторомбической модификации LiFePO4 со структурой оливина. Содержание Fe3+ в исследуемых материалах контролировали с помощью мёссбауэровской спектроскопии. Показано, что были получены материалы, в которых содержание Fe3+ не превышает 2%. С помощью сканирующей электронной микроскопии уставлено, что размер большинства частиц у образцов Li1 xFe1 xMIIIxPO4/С (MIII=Al, Sc, Ga, Y, In, Cr) составляет приблизительно 50 нм, однако наряду с этим в образце присутствуют и отдельные агломераты размером от 200 нм до 2 мкм. Показано, что ионная проводимость образцов допированных материалов Li1 xFe1 xMIIIxPO4 (MIII=Al, Sc, Ga, Y, In, Cr) увеличивается по сравнению с LiFePO4 до двух порядков величины, а энергия активации проводимости уменьшается с увеличением степени допирования в пределах границы однофазности. Наиболее ярко эффект увеличения ионной проводимости выражен у образцов, допированных In, Sc и Al. Однако с точки зрения оптимизации электрохимической ёмкости материалов целесообразными являются малые степени замещения железа, т.к. в большинстве случаев металл, использующийся в качестве допанта не является электрохимически активным. По этой причине для дальнейшей работы в 2015 году, направленной на получение материалов, одновременно допированных двух- и трехвалентными катионами, представляется целесообразно выбрать составы с минимальным замещением железа (x = 0.005) и значительным увеличением ионной проводимости (MIII=In, Sc, Al). Проведено электрохимическое тестирование некоторых полученных материалов Li1 xFe1 xMIIIxPO4/С в качестве катодов в режиме работы литий-ионного аккумулятора (ЛИА). Установлено, что для образцов Li0.995Fe0.995MIII0.005PO4/C (MIII=In, Sc, Al) полученные значения зарядной емкости уступают исходному LiFePO4/C. Это связано как с понижением в материале доли ионов железа, так и со стабилизацией степени окисления поливалентных ионов металла в окружении катионов с той же валентностью. При этом тангенсы угла наклона плато на разрядных кривых, а также тангенс угла наклона зависимости разрядной емкости от логарифма плотности тока для Li0.995Fe0.995MIII0.005PO4/C уменьшаются по сравнению с исходным LiFePO4/C. В связи с этим в ходе дальнейших исследований представляется целесообразным получение материалов на основе LiFePO4/С, одновременно допированных двух- и трехвалентными катионами для оптимизации как процессов заряда, так и разряда, а также диспергирование полученных материалов для получения материалов с более равномерным размерным распределением частиц.

 

Публикации

1. Стенина И.А., Ильин А.Б., Ярославцев А.Б. Синтез и ионная проводимость титаната лития, Li4Ti5O12 Неорганические материалы, №1, Т. 51, с. 69-75 (год публикации - 2015)

2. Ярославцев А.Б., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Электродные наноматериалы для литий-ионных аккумуляторов Успехи химии, Т. 84, №8, с. 826-852 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1070/RCR4497


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Получены титанаты лития с частичным замещением катионов титана на ионы алюминия, скандия, хрома состава Li4+хTi5-xMIIIxO12 (MIII=Al, Sc, Сr; х = 0, 0.05, 0.1, 0.15) при температурах 400 и 800 оС, а также композиционные материалы на их основе с углеродом. Полученные материалы охарактеризованы с помощью РФА, СЭМ, ПЭМ, КР-, 7Li ЯМР и импедансной спектроскопии и термогравиметрии с масс-спектрометрией отводимых газов. Показано, что при х > 0.1 материалы состава Li4+xTi5 xScxO12 получаются неоднофазные ввиду образования примеси оксида титана со структурой рутила и титаната лития (Li2TiO3). Параметры решетки с ростом степени допирования уменьшаются для материалов состава Li4+xTi5-xAlxO12 и Li4+xTi5-xСrxO12 (х =0.05, 0.1, 0.15) и увеличиваются для скандийсодержащих образцов. Во всех образцах, полученных при 400 оС, присутствует примесь анатаза. Размер частиц допированных образцов титаната лития, рассчитанный на основании уширения линий рентгенограмм, оказался несколько больше, чем для Li4Ti5O12. С помощью импедансной спектроскопии показано, что недопированный Li4Ti5O12 характеризуется большей проводимостью по сравнению с допированными материалами Li4+xTi5-xMIIIxO12 (MIII = Al, Cr). Это может быть обусловлено тем, что часть допирующих ионов замещает катионы лития, блокируя каналы проводимости. Поскольку эти каналы являются трехмерными, эффект падения проводимости выражен сравнительно слабо. Среди допированных материалов проводимость уменьшается в ряду Li4+xTi5-xCrxO12. > Li4+xTi5-xAlxO12 > Li4+xTi5-xScxO12. При этом можно отметить тенденцию к уменьшению проводимости с ростом степени замещения. Проводимость допированных материалов, полученных при 400 оС, в области низких температур оказывается заметно выше таковой для титанатов, полученных при 800 оС, однако также меньше величин проводимости для недопированного титаната. Спектры ЯМР МАS 7Li материалов состава Li4+xTi5-xAlxO12 (х=0, 0,05 и 0,15) вполне типичны для подобных систем и представляют собой совокупность центральной линии с сателлитами вращения. Величина химического сдвига данных материалов относительно водного раствора LiCl закономерно увеличивается с ростом степени замещения. Увеличение полуширины центральной линии спектра ЯМР с увеличением степени допирования в Li4+xTi5-xAlxO12 свидетельствует об уменьшении подвижности лития и хорошо согласуется с данными импедансной спектроскопии. При исследовании материалов на основе титаната лития в качестве анодного материала в составе литий-ионного аккумулятора среди всех допированных образцов наибольшие емкости показывают Li4.05Ti4.95Al0.05O12 и Li4.05Ti4.95Сr0.05O12. При этом емкости титанатов лития, допированных ионами скандия, оказались наименьшими из всех исследуемых катионов (72 мАч/г при плотности тока 20 мА/г), а деградация материала при циклировании – наибольшей. Разрядная емкость материалов Li4-хTi5-хAlхO12 уменьшается при увеличении степени допирования, и практически не зависит от х для Li4 хTi5-хСrхO12. Увеличение размера частиц, видимо, оказывает большее влияние на электрохимические характеристики, чем наличие небольшого количества примеси (рутила), который также обладает электрохимической активностью. Уменьшение емкости в ходе циклирования на больших токах оказалось больше для материалов, допированных хромом, чем для допированных алюминием. После циклирования при высоких плотностях тока при возвращении на низкие разрядная емкость всех образцов практически совпадала со значением, зарегистрированным на первых циклах, что свидетельствует о низкой деградации материалов при циклировании. При циклировании в расширенных до 0.01 В границах потенциала при высоких плотностях тока емкость Li4.05Ti4.95Al0.05O12 в 2.5-3 раза превышает емкость Li4Ti5O12, возвращаясь почти к исходному значению при возвращении к низким плотностям тока. Изучено влияние формирования углеродного покрытия на дисперсность формируемых образцов на основе Li4Ti5O12 и их электрохимические характеристики в составе литий-ионного аккумулятора. Показано, что размер частиц Li4Ti5O12 определяется как температурой отжига, так и количеством прекурсора углерода. Так, величина области когерентного рассеяния Li4Ti5O12 в образцах, полученных с добавлением сахарозы перед финальным отжигом, оказывается значительно меньше ввиду образования более объемного углеродного покрытия, препятствующего росту частиц. Совокупность данных рентгенофазового анализа, термогравиметрии, КР-спектроскопии и электрохимического тестирования показывает, что для формирования проводящего углеродного покрытия в случае синтеза по цитратному методу необходим предварительный отжиг образца на воздухе при температурах не ниже 400оС с последующим отжигом в инертной атмосфере. Добавление даже небольшого количества сахарозы (<8% масс. по отношению к прекурсору титаната лития) приводит к ухудшению электрохимической емкости (155 и 140 мА ч/г для материалов без и с добавлением сахарозы, соответственно). Анатаз, образующийся наряду с титанатом лития при температурах отжига 400 - 600оС, участвует в процессах заряда/разряда, существенно повышая электрохимическую емкость образцов. Наиболее высокие значения электрохимической емкости (140 мА.ч/г) для анодных образцов Li4Ti5O12 получены лишь после конечного отжига образцов при 800 оС. Разработаны подходы к синтезу и получены нанодисперсные материалы на основе фосфата лития-железа со структурой оливина, допированные двухвалентными LiFe1 xMIIxPO4 и одновременно двух- и трехвалентными катионами состава Li1 xFe1 xNixMIIIxPO4 (MII=Mn, Co, Ni; MIII=Al, Sc, In). Показано, что LiFe1-xMIIxPO4 (M=Ni, Co, Mn; x=0-0.3) кристаллизуются в орторомбической модификации LiFePO4 (простр. гр. Pnma). Рентгенограммы материалов Li1 xFe1 2xNixInxPO4 являются однофазными лишь при малых степенях замещения (x ≤ 0.005), при этом параметры элементарной ячейки несколько увеличиваются. В случае Li1-xFe1-2x(NiMIII)xPO4 (MIII = Sc, Al) однофазность сохраняется при x ≤ 0.01. Изменение объёма элементарных ячеек свидетельствует об образовании твердых растворов. Полученные данные свидетельствуют о высокой растворимости двухвалентных катионов Co, Ni, Mn в LiFePO4 со структурой оливина, в то время как растворимость катионов M3+ является существенно более низкой. Установлено, что одновременное допирование двух- и трехвалентными катионами понижает растворимость М3+ в структуре LiFePO4. Методом импедансной спектроскопии исследована проводимость олученных материалов. Показано, что допирование двухвалентными катионами приводит к росту электропроводности образцов LiFe1-xMIIxPO4 (M=Ni, Co, Mn). Наибольшая проводимость достигается для материалов, допированных небольшим количеством марганца (x=0.1; 0.2). Проводимость LiFe0.9Mn0.1PO4 превышает таковую для исходного LiFePO4 почти на два порядка. Ионная составляющая проводимости образцов Li0.995Fe0.995(NiMIII)0.005PO4 (M=Al, Sc, In) возрастает по сравнению с LiFePO4 на порядок. Однако увеличение содержания допантов до 1% не приводит к дальнейшему росту проводимости Li0.995Fe0.995(NiMIII)0.005PO4 (M=Al, Sc, In). Изучены электрохимические характеристики полученных катодных материалов в режимах заряда/разряда литий-ионного аккумулятора. Материал состава LiFe0.9Mn0.1PO4/С проявляет повышенную емкость (142 и 55 мАч/г при токе 20 и 1600 мАч/г соответственно). Этот эффект наиболее выражен при высоких плотностях тока. Процессы заряда/разряда LiFe1-xMnxPO4 (x=0.1-0.3) протекают в 2 ступени, соответствующие последовательному окислению/восстановлению ионов железа (~3,4 В) и марганца. C увеличением содержания марганца в образцах происходит постепенная смена механизма заряда/разряда с протекающего за счет дрейфа границы раздела фаз в гетерогенном зерне, характерного для исходного LiFePO4/С, на перераспределение концентраций в пределах существования твердого раствора для LiFe0.7Mn0.3PO4/C. В то же время для образцов Li1 xFe1 xNixMIIIxPO4 (MIII=Al, Sc, In) (MIII=In, Sc, Al) наблюдается существенное замедление падения электрохимической емкости при увеличении плотности тока. С помощью мёссбауэровской спектроскопии на ядрах 57Fe исследованы процессы упорядочения ионов марганца в структуре LiyFe1 xMnxPO4 со степенью замещения железа – 10%, 20% и 30%, и различной степени электрохимической зарядки. Показано, что распределение марганца в LiFeIII1-xMnxPO4 является упорядоченным: в окружении железа находится не более одного катиона марганца. Сочетание данных мессбауэровской спектроскопии и рентгенофазового анализа свидетельствует о том, что в области существования твердых растворов в LixFe0.7Mn0.3PO4 формируются области с неоднородным содержанием двух и трехвалентных ионов марганца. С помощью мессбауэровской спектроскопии установлено, что распределение ионов кобальта по объему частиц LiFe1 xСoxPO4 является неоднородным, причем концентрация кобальта увеличивается от центра частицы к ее поверхности.

 

Публикации

1. A. Svitan'ko, V. Scopets, S. Novikova, A. Yaroslavtsev The effect of composite formation with oxides on the ion conductivity of NASICON-Type LiTi2(PO4)3 and olivine-type LiFePO4 Solid State Ionics, V. 271, P. 42–47 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.ssi.2014.10.022

2. Svetlana Novikova, Sergey Yaroslavtsev, Vyacheslav Rusakov, Andrey Chekannikov, Tatiana Kulova, Alexander Skundin and Andrey Yaroslavtsev Behavior of LiFe1-yMnyPO4/C cathode materials upon electrochemical lithium intercalation/deintercalation Journal of Power Sources, V. 300, P.444-452 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.09.092

3. И.А. Стенина, С.С. Букалов, Т.Л. Кулова, А.М. Скундин, Н.Ю. Табачкова, А.Б. Ярославцев Влияние углеродного покрытия на электрохимические свойства наноразмерных материалов на основе титаната лития Российские нанотехнологии, Том 10, №11–12, С. 25-31 (год публикации - 2015)

4. Стенина И.А., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Ярославцев А.Б. Анодный материал на основе наноразмерного титаната лития Журнал неорганической химии, том 60, № 11, с. 1506–1510 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.7868/S0044457X15110173


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Синтезированы титанаты лития, допированные ионами магния Li4-xMgxTi5O12, никеля Li4-xNixTiO12, ванадия Li4+xTi5 xVxO12 и железа Li4+xTi5 xFexO12 (х = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2). Полученные материалы охарактеризованы с помощью РФА, СЭМ, ПЭМ, 57Fe мессбауэровской спектроскопии, 7Li ЯМР и импедансной спектроскопии. Показано, что при х > 0.1 материалы, допированные никелем, получаются неоднофазными ввиду образования примеси рутила и Li2TiO3. Материалы, допированные ванадием, неоднофазны во всем интервале исследуемых степеней допирования и содержат значительное количество рутила, доля которого растет с ростом х. Параметры решетки Li4-xMgxTi5O12 увеличиваются с ростом степени допирования. Для Li4+xTi5 xFexO12 зависимость параметра решетки от степени замещения проходит через максимум при x=0.1. Согласно данным, полученным в результате уточнения структуры Li4.2Ti4.8Fe0.2O12 с помощью метода Ритвельда, железо занимает как тетраэдрические, так и октаэдрические позиции, причем соотношение заселенностей этих позиций железом в Li4.2Ti4.8Fe0.2O12 составляет ≈0.62. Мессбауэровские спектры образцов титаната лития, допированных изотопом 57Fe, представляют собой совокупность двух квадрупольных дублетов, соответствующих катионам Fe3+ в тетраэдрической и октаэдрической координациях, и парциального спектра, связанного с присутствием частиц магнитоупорядоченных оксидов железа. Крайне низкая концентрация последних и малый размер частиц не позволяет наблюдать следов этой фазы на рентгенограммах. Причем атомов железа в октаэдрической позиции в два раза больше, чем в тетраэдрической. Полученные данные хорошо согласуются с результатами уточнения структуры допированных титанатов по методу Ритвельда. При электрохимическом литировании образца титаната лития около 95% катионов железа восстанавливается до Fe2+. При этом в максимально литированном образце отсутствует ионы железа в тетраэдрической позиции, что обусловлено возможностью их миграции в процессе литирования в октаэдрическую, подобно ионам лития. На основании анализа мессбауэровских спектров можно заключить, что соотношение ионов железа в октаэдрах и тетраэдрах в образце после полного цикла в диапазоне потенциалов 0-3 В возрастает, что должно способствовать улучшению катионной подвижности. С помощью импедансной спектроскопии показано, что недопированный Li4Ti5O12 характеризуется большей проводимостью по сравнению с материалами, допированными магнием, никелем и железом. Это может быть обусловлено тем, что часть допирующих ионов замещает катионы лития, блокируя каналы проводимости или, как минимум, понижая подвижность локализованных в них ионов лития. При этом можно отметить тенденцию к уменьшению проводимости с ростом степени замещения, которая наиболее выражена для материалов, допированных никелем. Для материалов «Li4+xTi5 xVxO12» величины проводимости для х<0.2 выше проводимости недопированного титаната лития во всем исследуемом интервале температур. Электронная проводимость полученных материалов невысока и меньше ионной проводимости на порядок величины. При исследовании материалов на основе титаната лития в качестве анодного материала в составе литий-ионного аккумулятора при циклировании в диапазонах потенциалов 1-3 и 0.01-3 В емкость Li4Ti5O12 оказывается выше таковой для допированных титанатов. Исключение составляют материалы, допированные железом, для которых влияние допанта проявляется по-разному в ходе циклирования при различных плотностях тока. При малых плотностях тока введение допанта приводит к падению разрядной емкости, что объясняется замещением части титана на трехвалентное железо, которое восстанавливается при циклировании и далее не участвует в процессах заряда/разряда. При повышении плотности тока до 400 мА/ч и более разрядная емкость допированного образца превышает разрядную емкость недопированного. В частности, увеличение плотности тока в 160 раз приводит к падению емкости Li4Ti5O12 в 9 раз, в то время как для допированного железом титаната только в 6 раз. Возвращение на малые токи после проведения цикла испытаний в диапазоне потенциалов 1 - 3 В приводит к повышению емкости допированного железом титаната. После циклирования в диапазоне потенциалов 0.01 - 3 В при высоких токах и возвращения на малые токи емкость образца Li4Ti5O12 несколько снижается, в то время как емкость допированного железом титаната не меняется, что согласуется с данными мессбауэровской спектроскопии. С помощью золь-гель метода синтезированы нанодисперсные образцы составов Li1-2xFe1-2xMIVxPO4/C (MVI= Sn, Ti), LiFe1-xZnxPO4/C и Li1-xFe1-xVxPO4/C. Получены твердые растворы, отвечающие орторомбической модификации LiFePO4 (простр. гр. Pnma). Установлено, что при допировании катионами Sn4+ и Ti4+ степень замещения х, при которой не наблюдается формирование примесных фаз, не превышает 0.05. В случае допирования катионами цинка и ванадия образцы LiFe1-xZnxPO4 и Li1-xFe1-xVxPO4 однофазны при х≤0.1. По данным СЭМ и РФА для допированных образцов наблюдается склонность первичных частиц разметом ~50 нм к формированию агломератов размером от 200 нм до 2 мкм. Полученные образцы содержат ~5 wt. % углерода. Электропроводность образцов Li1-2xFe1-2xMIVxPO4 (MVI= Sn, Ti), LiFe1-xZnxPO4 и Li1-xFe1-xVxPO4 увеличивается по сравнению с LiFePO4. При допировании фосфата лития-железа катионами Sn4+, Zn2+, V3+ протекающие при внедрении катионов допанта в позиции железа в LiFePO4 процессы дефектообразования приводят к увеличению ионной проводимости образцов и понижению энергии ее активации за счет полного или частичного исключения из нее вклада энтальпии процессов дефектообразования. Для материалов состава Li1-2xFe1-2xTixPO4 ионная проводимость уменьшается, а рост электропроводности достигается за счет увеличения электронной проводимости. Электрохимическое тестирование материалов на основе фосфата лития-железа в качестве катода в составе литий-ионного аккумулятора показало, что в случае материалов состава Li1-2xFe1-xSnxPO4/C внедрение небольшого количества олова положительно сказывается на электрохимических характеристиках LiFePO4/C. Уменьшение разрядных емкостей в случае Li1-2xFe1-xTixPO4/C по сравнению с LiFePO4/C, наиболее вероятно, обусловлено тем, что катионы титана частично замещают катионы лития, блокируя одномерные каналы проводимости лития. Для образцов Li1-xFe1-xVxPO4/C (x=0.01-0.1) с увеличением плотности тока (>400 мА/г) наблюдается уменьшение поляризации по мере увеличения содержания ванадия. Материал Li0.95Fe0.95V0.05PO4/C характеризуется наиболее высокими значениями емкости, как при медленном заряде-разряде (145 мАч/г, при токе 20 мА/г), так и при увеличении скорости. Показано, что существенное увеличение его разрядной емкости может быть достигнуто при расширении диапазона рабочих потенциалов. Разрядная емкость Li0.95Fe0.95V0.05PO4/C в пределах от 1.5 до 4.1 В составила 119, 106 и 75 мАч/г при токах 800, 1600 и 3200 мА/г. Для материалов состава LiFe1-xZnxPO4/С неожиданно обнаружены низкие значения емкости и высокие темпы ее падения по сравнению с LiFePO4/С. При этом, как и для большинства других исследованных материалов на основе LiFePO4, после циклирования с высокой скоростью при возвращении к малым токам (20 мА/г) емкость образца восстанавливается до исходного значения, что свидетельствует об отсутствие деградации катодного материала. Вероятной причиной отличия результатов, полученных при допировании LiFePO4 цинком от данных, полученных нами ранее при частичном замещении железа такими двухвалентными катионами, как Co2+, Ni2+, Mn2+ является протекание существенно более выраженных фазовых превращений в ходе заряда/разряда, зафиксированные по данным мессбауэровской спектроскопии. Мессбауэровский спектр LixFe0.9Zn0.1PO4 при 5 К представляет собой совокупность как магнитоупорядоченной составляющей, так и парамагнитной компоненты. Магнитоупорядоченная составляющая может быть обработана в рамках пары октетов Гамильтона, соответствующих различному катионному окружению катионов Fe3+. Один из октетов соответствует катиону Fe3+, в ближайшем окружении которого находятся четыре атома Fe. Другой соответствует, по-видимому, появлению одного атома Zn в ближайшем катионном окружении. Парамагнитная компонента, наблюдающаяся в спектре, представляет собой квадрупольный дублет с вкладом в интенсивность ~ 28 %. Наличие парамагнитной компоненты в спектре Li0.1Fe0.9Zn0.1PO4 не наблюдалось для других заряженных допированных литиевых фосфатов железа. Наиболее вероятным объяснением является наличие структурного перехода в процессе электрохимического заряда. В совокупности с данными, полученными для разряженных образцов, этот структурный переход является обратимым. Получены, обработаны и проанализированы мессбауэровские спектры для LixFePO4 и LixFe0.7Mn0.3PO4 при 80 К. Измерения при 80 К литиевых фосфатов железа интересны тем, что эта температура ниже температуры Нееля для фазы FePO4, но выше таковой для фазы LiFePO4. Таким образом, часть спектра останется в парамагнитном состоянии, а часть спектра перейдет в магнитоупорядоченное состояние (антиферромагнетик). Для проведения пробных исследований мы выбрали серию образцов LixFe0.7Mn0.3PO4, поскольку она была исследована подробнее остальных. Мессбауэровские спектры недопированных образцов представляют собой совокупность квадрупольного дублета и октета, соответствующих катионам Fe2+ и Fe3+ в структуре литиевого фосфата железа соответственно. Мессбауэровские спектры образцов, допированных атомами марганца описываются в общем случае двумя квадрупольными дублетами и тремя парциальными спектрами релаксационного типа и полностью подтверждают данные, полученные ранее при низких температурах. С помощью сольвотермального метода получен наноразмерный фосфат лития-железа с морфологией пластинок толщиной 15-25 нм, частицы которого имеют наименьший размер в направлении кристаллографической оси “b”. Именно в этом направлении ориентированы одномерные каналы структуры LiFePO4, по которым осуществляется миграция ионов лития в процессах интеркаляции/деинтеркаляции. Электрохимическая емкость синтезированного материала LiFePO4/C близка к теоретической при относительно небольших плотностях тока. Материал может успешно работать при плотностях тока до 800 мА/г.

 

Публикации

1. Капаев Р.Р., Новикова С.А., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Ярославцев А.Б. Синтез наноразмерных пластинок LiFePO4 для катодных материалов литий-ионных аккумуляторов Российские нанотехнологии, № 11–12, ТОМ 11, С. 55-57 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S1995078016060136

2. Стенина И.А., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Ярославцев А.Б. High grain boundary density Li4Ti5O12/anatase-TiO2 nanocomposites as anode material for Li-ion batteries Materials Research Bulletin, V. 75 pp. 178–184 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2015.11.050

3. Стенина И.А., Соболев А.Н., Ярославцев С.А., Русаков В.С., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Ярославцев А.Б. Influence of iron doping on structure and electrochemical properties of Li4Ti5O12 Electrochimica Acta, V.219, pp.524-530 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.10.034

4. Леонидов И.А., Ярославцев А.Б. Наноматериалы с ионной проводимостью Наноматериалы: свойства и перспективные приложения. Издательство: Научный мир, Москва, с.146-169 (год публикации - 2015)


Возможность практического использования результатов
не указано