Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0125

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0125
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики Российской академии наук
Название доклада
Разработка научно-технических решений по созданию высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов на основе новой электрохимической системы, включающей в себя литийжелезофосфат, кремнийсодержащие нанокомпозиты и полимерный электролит
Докладчик
Добровольский Юрий Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1) Проект направлен на решение проблемы создания высокоемких и безопасных источников электропитания и повышение эффективности применения находящегося в эксплуатации технологического оборудования на их основе (источники питания для электротранспорта и накопители энергии на основе литий-ионных аккумуляторов), снижения экологической нагрузки на окружающую среду, а также на создание конкурентоспособной отечественной продукции.
2) Цель работы состоит в создании литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы, обладающего конкурентоспособными эксплуатационными характеристиками, с использованием отечественных материалов и комплектующих. Конечным продуктом выполнения работы являются экспериментальные образцы литий-ионного аккумулятора, основы технологии их изготовления и проект ТЗ на проведение ОКР. Цель работы и его результаты полностью соответствуют решаемым задачам.
Актуальность и новизна исследования
Снижение запасов ископаемых видов топлива способствует развитию разработок в области альтернативных источников энергии. В перспективе, основными источниками тока, в частности для транспорта, могут стать литий-ионные аккумуляторы в связи с их высокой плотностью энергии. Однако удельной энергоёмкости современных аккумуляторов недостаточно для обеспечения автономности портативных устройств и электромобилей. Существенного улучшения массогабаритных характеристик аккумуляторов можно добиться за счёт увеличения ёмкости хотя бы одного из электродов. Перспективным вариантом является замена в отрицательном электроде графита на кремний, теоретическая ёмкость которого в 10 раз выше. Главным препятствием для использования кремния в качестве основного компонента отрицательного электрода является деградация этого материала при интеркаляции-деинтеркаляции лития, обусловленная значительными изменениями объёма и процессами, протекающими на межфазной границе. Кроме того, в современных коммерческих литий-ионных аккумуляторах используют жидкие или гелевые электролиты. По сравнению c ними, полимерные электролиты, обладающие униполярной проводимостью по ионам лития, являются особенно привлекательными как с точки зрения меньшей поляризации, так и безопасности. В данном исследовании разработаны литий-ионные аккумуляторы на основе новой электрохимической системы, включающей наноструктурированные материалы на основе кремнийсодержащих композитов и полимерный электролит.
Описание исследования

В 2016 г исследования по данному проекту были направлены на разработку конструкции, изготовление и проведение испытаний экспериментальных образцов литий-ионных аккумуляторов на основе новой электрохимической системы, включающей в себя анодные электроды на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов (нанопорошок кремния и карбид кремния), катодные электроды на основе литийжелезофосфата и полимерный электролит на основе литированного Нафиона в качестве сепаратора. Конструкция экспериментального образца основана на использовании призматического варианта и представляет собой пакет из чередующихся анодов и катодов прямоугольной формы, разделенных полимерным литий-проводящим электролитом. Призматическая конструкция обеспечивают лучший теплоотвод во время работы устройства и более плотную упаковку по сравнению с цилиндрической. Положительный электрод состоит из композитного материала на основе литийжелезофосфата, сажи и литийпроводящего электролита на основе Нафиона, нанесенного на алюминиевую фольгу, анод - из композитного материала на основе кремнийсодержащего нанокомпозита, сажи и литийпроводящего электролита на основе Нафиона, нанесенного на медную фольгу. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, предохраняющий аккумулятор от воды и кислорода.

Для исследования стабильности и механизма деградации анодных материалов на основе кремнийсодержащих нанокомпозитов использован комплекс физико-химических методов, включающий сканирующую электронную микроскопию для исследования морфологии электродов, рентгеновскую фотоэлектронную микроскопию для изучения состояния кремния в приповерхностном слое активного материала образцов электрода и метод гальваностатического циклирования для исследования разрядных характеристик.

Изготовление экспериментальных образцов литий-ионных аккумуляторов на основе новой электрохимической системы проводили в соответствии с разработанным технологическим регламентом и основывалось на пакетной сборке чередующихся изготовленных экспериментальных образцов полимерного электролита и намазных катодов и анодов с последующей их упаковкой в алюминиевую фольгу с двусторонней ламинацией и герметизацией путем запайки ламинированной фольги на вакуумном упаковщике.

Экспериментальное исследование удельной разрядной емкости изготовленных образцов анодного материала и экспериментальных образцов намазных анодных электродов на основе карбида кремния, а также испытание изготовленных экспериментальных образцов литий-ионных аккумуляторов проводили с использованием метода гальваностатического циклирования, заключающегося в измерении ёмкости образцов при интеркаляции-деинтеркаляции лития при постоянном токе.

Результаты исследования

В 2016 г разработана конструкция и эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы, включающей литийжелезофосфат, кремнийсодержащие нанокомпозиты и полимерный электролит.

Разработан лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов литий-ионного аккумулятора с номинальной емкостью не менее 1.3 Ач и номинальным напряжением не менее 3.2 В. В качестве способа получения экспериментального образца литий-ионного аккумулятора используется пакетная сборка чередующихся катодов, анодов и полимерного электролита с последующей упаковкой и герметизацией. Лабораторный регламент изготовления экспериментальных образцов литий-ионных аккумуляторов включает четыре технологических этапа: изготовление мембранного полимерного электролита, изготовление намазных катодных электродов, изготовление намазных анодных электродов и изготовление образца литий-ионного аккумулятора.

Проведены исследования анодных материалов на основе кремнийсодержащих нанокомпозитов с целью исследования стабильности и процессов деградации. С использованием современных физико-химических методов исследований обнаружено, что основной причиной разрушения анода в процессе длительного циклирования является взаимодействие кремния с анионом гексафторфосфата, присутствующего в составе жидкого электролита. Предложен двухстадийный механизм образования пассивирующего твёрдоэлектролитного слоя на окисленной поверхности кремния.

В соответствии с лабораторным технологическим регламентом изготовлены экспериментальные образцы литий-ионных аккумуляторов на основе новой электрохимической системы двух типов: с анодом на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов и с анодом на основе карбида кремния.

Разработана программа и методики испытаний экспериментальных образцов литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы, включающая в себя, в соответствии с ТЗ, исследование разрядной ёмкости, в том числе при заряде током 10С, напряжения разряда, удельной энергоемкости, диапазона рабочих температур и ресурсных характеристик.

В настоящее время проводится испытание изготовленных экспериментальных образцов литий-ионных аккумуляторов на основе новой электрохимической системы в соответствии с разработанной программой и методиками испытаний и оценка и обобщение полученных результатов.

Практическая значимость исследования
Конечным продуктом данного проекта является образец литий-ионного аккумулятора на основе новой электрохимической системы, включающей в себя анод на основе сложных кремнийсодержащих нанокомпозитов, катод на основе литийжелезофосфата и полимерный электролит, с удельной энергоемкостью не менее 230 Втч/кг и емкостью не менее 1 А ч, а также основы технологии его изготовления и проект ТЗ на проведение ОКР. Разрабатываемый литий-ионный аккумулятор может быть использован для широкого спектра задач, в первую очередь, в качестве источника питания для портативной электроники и электротранспорта. Успешное завершение проекта будет способствовать повышению эффективности использования находящегося в эксплуатации технологического оборудования, увеличению автономности работы устройств, снижению экологической нагрузки на окружающую среду, а также созданию конкурентоспособной отечественной продукции. Полученные результаты также будут способствовать развитию исследований для создания нового поколения высокоэффективных материалов и стимулируют развитие новых технических решений в области создания высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов. Для практического внедрения полученных результатов планируется проведение ОКР по завершению проекта. Потенциальными потребителями разрабатываемых научно-технических решений по созданию высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов реализации всего Проекта являются предприятия по производству литий-ионных аккумуляторов, например, ООО «Лиотех».