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 проекта 24-23-00214
НазваниеРазработка и оптимизация состава положительного электрода сложной архитектуры для твердотельных литиевых аккумуляторов
Руководитель Захарченко Татьяна Константиновна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-202 - Химия твердого тела, механохимия
Ключевые слова Композитный электрод, твердотельный аккумулятор, литиевый аккумулятор, литий-ионный аккумулятор, феррофосфат лития, твердый электролит
Код ГРНТИ31.15.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Литий-ионные аккумуляторы на данный момент занимают ключевое положение как источники запасания энергии для различных приложений - от портативной электроники до системы накопления энергии для электросетей, включая электротранспорт. Однако, они не до конца удовлетворяют всем современным требованиям, особенно с точки зрения безопасности, поскольку в них используются легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. Вследствие этого литий-ионные и литиевые аккумуляторы с твердым электролитом привлекают в последние годы все большее внимание исследователей.
Ключевым компонентом любого аккумулятора вне зависимости от типа используемого электролита (жидкий или твердый) является активный материал катода в литированной форме. Предлагаемые композитные катоды в твердотельной ячейке состоят из активного материала катода, твердого электролита, токопроводящей углеродной добавки и, в некоторых случаях, полимерного связующего. Для достижения наилучших электрохимических характеристик необходимо произвести его оптимизацию от макро- до наноуровня.
Целью данного проекта является разработка архитектуры и оптимизация состава композитного материала катода на основе углеродных нанотрубок (УНТ), LiFePO4 (LFP) и твердого электролита для твердотельных литиевых аккумуляторов.
В рамках данной работы мы предлагаем разработку процессов постадийного синтеза активного материала катода на поверхности углеродных нанотрубок, а на следующем шаге – композита, включающего твердый электролит с использованием методов «мягкой химии». Данный подход позволит улучшить контакт между частицами, что должно положительно сказаться на электрохимических свойствах полученного композитного материала. Также в ходе работы предполагается разработать методику получения электролита Li2ZrCl6 из хлоридов соответствующих металлов в органическом растворителе.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Отработана методика синтеза LiFePO4 (LFP) гидротермальным и сольвотермальным методом, получены приемлемые значения разрядной емкости. Оптимальными условиями синтеза являются – содержание этиленгликоля в смеси с водой – 75%, концентрация железа в исходном растворе 0.3 М. Изготовлены композитные материалы LiFePO4/C c различными формами углерода, в том числе нанотрубками.
2. Отработана методика синтеза твердого электролита Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) путем сооосаждения, которая может быть использована в том числе для получения композитных катодных материалов типа «ядро-оболочка». По результатам рентгеновской дифракции, было обнаружено что данным методом можно получить чистую фазу LATP уже при температуре 700°C, но при 800 °C наблюдается фаза с наиболее высокой степенью кристалличности.
3. Исследовано взаимодействие интерфазы LFP-LATP при совместном отжиге при температуре 750°C. По результатам рентгеновской дифракции было установлено, что образуется новая фаза с пространственной группой pbca, что соответствует диффузии Fe2+ в структуру LATP с образованием интерфазы Li1.3+xAl0.3FexTi1.7-x(PO4)3 (LAFTP).
4. Для исследования процесса образования интерфазы было проведено смешивание LFP и LATP двумя разными способами: (1) с использованием шаровой мельницы; (2) метод со-осаждения, где получали LATP в присутствии LFP. Соотношение LFP/LATP было взято 1/1. По результатам гальваностатического циклирования в ячейке с жидким электролитом было установлено, что интерфаза проявляет электрохимическую активность, что вносит дополнительную емкость в диапазоне напряжений 2,7-2,8 В и ниже 2,4 В. Эти диапазоны напряжений соответствуют окислительно-восстановительным реакциям Fe2+/3+ и Ti3+/4+, соответственно. Меньшая емкость наблюдается для композита, синтезированного методом соосаждения, по сравнению с катодом, синтезированным методом шаровой мельницы. Это может быть связано с прямой реакцией прекурсора LATP с LFP в процессе соосаждения, что приводит к образованию интерфазы LAFTP. Этот процесс может привести к потере большего количества Fe2+ в LFP. Кроме того, емкость композита с наночастицами ниже, чем с микрочастицами.
5. В ходе работы были собраны твердотельные ячейки с металлическим литием в качестве анода, композитным катодом LATP/LFP и электролитом LATP. При этом на поверхность металлического лития было добавлено 10 мкл электролита, содержащего LiPF6, для формирования инертного слоя SEI на основе LiF, который должен ингибировать побочную реакцию между LATP и Li. Емкость катодного материала, полученного методом смешивания, выше, чем у материала, полученного методом совместного спекания. Однако значение емкости быстро уменьшается в процессе циклирования. Возможной причиной быстрого снижения емкости является уменьшение площади эффективного контакта, вызванное изменением объема материала катода во время циклирования.