Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0096

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0096
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Разработка технологии получения отечественных катодных материалов для тяговых литий-ионных аккумуляторов, работающих при экстремальных температурных условиях
Докладчик
Максимов Максим Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является создание технологии получения отечественных катодных материалов литий-ионных аккумуляторов, предназначенных для применения в транспортных и космических системах, с улучшенными функциональными и эксплуатационными характеристиками (тяговыми и температурными).
Актуальность и новизна исследования
Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы, по причине их экологичности и высоких удельных характеристик, в настоящее время являются наиболее распространенными устройствами хранения электрической энергии, обеспечивающие работу портативных электронных устройств, электромобилей, автономных систем бесперебойного питания. С каждым годом, с развитием техники, требования к портативным источникам энергии растут, что приводит к необходимости создания новых композиций электродных материалов с улучшенными удельными характеристиками и меньшей стоимостью. После успешного внедрения в промышленность катодного материала LiFePO4 со структурой оливина, была предложена система на основе Li-Fe-Si-O, которая является наиболее перспективной из-за высокой теоретической ёмкости и дешевых компонентов, входящих в состав данного катодного материала. При извлечении двух ионов лития из структуры система Li2FeSiO4 имеет удельную ёмкость порядка 333 мАч/г. Тем не менее, на сегодняшний день, обратимая емкость для двух ионов лития достигается весьма затруднительно из-за неустойчивости железа в структуре Li2FeSiO4, вызванной искажениями Яна-Теллора и последующей аморфизацией материала, которая наблюдалась во время циклирования образцов. Одним из способов позволяющим обратимо интеркалировать/деинтеркалировать два иона лития в системе Li2MeSiO4 является введение в кристаллическую структуру ионов марганца, то есть получение сложных систем типа Li2Fe0.5Mn0.5SiO4. Создание системы Li2Fe0.5Mn0.5SiO4 с проводящими покрытиями, способствует обратимому извлечению более одного иона лития из структуры катодного материала и повышает коэффициент диффузии ионов лития.
Описание исследования

В ходе реализации проекта были разработаны программы и методики экспериментальных исследований, в соответствии с которыми были проведены работы по План-графику исполнения обязательств. На основании экспериментальных данных была выбрана температура в качестве основного технологического параметра. В соответствии с определенным в ходе исследований температурным диапазоном были получены тестовые образцы катодного материала кобальтата лития (КМКЛ) с пассивационными покрытиями, исследования состава и электрохимических характеристик в соответствии с международным стандартом IEC TS 62607-4-1:2014 позволили сделать выбор оптимальных значений технологических режимов. Оптимальная температура синтеза пассивационных покрытий на электродах КМКЛ - 150 ºС. Образцы, полученные при данных условиях, показали повышенную удельную емкость и циклический ресурс на 20 - 30 %. На основании оптимальных значений технологических режимов была разработанна технологическая инструкция по изготовлению КМКЛ с пассивационными покрытиями, с помощью которой были получены лабораторные образцы для проведения сравнительных исследований тяговых характеристик литий-ионных аккумуляторов с катодами, изготовленными из лабораторных образцов КМКЛ с пассивационными покрытиями и из импортных образцов КМКЛ промышленных серий. Результаты исследований показали повышение циклического ресурса на 30 % при использовании электродов на базе КМКЛ с пассивационными покрытиями. На основании разработанной программы и методик на базе ГОСТ Р МЭК 62660-1-2014 индустриальным партнером были проведены исследования, которые позволили сделать вывод об эффективности катодных материалов кобальтата лития с пассивационными покрытиями: при минусовых температурах емкость аккумуляторов выше; циклический ресурс при токах выше 5С в импульсном режиме на 15 % больше. Проведены исследования тяговых характеристик и температурной зависимости. 

Исследования процесса синтеза и  электрохимических характеристик образцов катодного материала литированного силиката железа (КМЛСЖ), допированного марганцем, показали, образцы полученные после семи часов твердофазного синтеза имеют повышенную удельную емкость, порядка 150 мАч/г, что  связано с упорядоченной кристаллической структурой. Покрытия оксида олова (IV), нанесенные методом атомно-слоевого осаждения, оказывают положительное влияние на электрохимические характеристики. Полученые лабораторные образцы КМЛСЖ, допированного марганцем, при оптимальных технологических параметрах синтеза были исследованы индустриальным партнером в соответствии с разработанными программами и методиками. Анализ результатов исследований позволил сделать вывод, что КМЛСЖ, допированного марганцем, обладает рядом преимуществ по сравнению с импортным катодным материалом промышленной серии. КМЛСЖ имеет высокие разрядные емкости при различных скоростях заряд/разряд, кроме того падение разрядной емкости при увеличении плотности тока с 0,1С до 0,2С у КМЛСЖ составляет менее 10%. Емкость аккумуляторов в корпусах «Coffee bag» с использованием катодного материала на основе Li2Fe0,5Mn0,5SiO4 + SnO2 на 22% выше, чем при использовании импортного катодного материала.

Результаты исследования

Разработан комплекс программ и методик для проведения экспериментальных исследований процесса синтеза порошков катодных материалов, функциональных покрытий методом атомно-слоевого осаждения и изучения электрохимических характеристик в соответствии с международным стандартом IEC TS 62607-4-1:2014 и ГОСТ Р МЭК 62660-1-2014.

Разработаны технологическая инструкция по изготовлению КМКЛ с пассивационными покрытиями и технологическая инструкция по изготовлению КМЛСЖ, допированного марганцем, с использованием которых были получены лабораторные образцы порошков, электродов и аккумуляторов на базе катодных материалов литированного кобальтата лития с пассивационными поррытиями оксида алюминия и литированного силиката железа, допированного марганцем, с функциональными покрытиями оксида олов,а обладающие повышенными электрохимическими свойствами.

Практическая значимость исследования
Внедрение новых разрабатываемых технологических решений получения катодных материалов приведет к снижению материальных и энергетических затрат производства, повышению качественного уровня выпускаемой продукции и созданию литий-ионных аккумуляторов с улучшенными характеристиками, соответствующих мировым стандартам.
Постер

14.578.21.0096.ppt