Електрохімічні властивості системи сульфідний електрод-полімерний електроліт, перспективної для розробки літієвого акумулятора - Автореферат

Використання ферум дисульфіду в якості катодного матеріалу дає можливість отримати літієві джерела струму з теоретичною питомою енергією 1304 Вт*год/кг катода. Незважаючи на велику кількість відомих неводних електролітів на основі полімерних матеріалів, на сьогоднішній день не існує єдиного підходу до підбору та оптимізації складу полімерного електроліту, здатного працювати при кімнатних температурах в ХДС з катодом на основі дисульфіду заліза. Ефективність циклування катодного матеріалу встановлюється хімізмом процесів відновлення та окиснення, стійкістю в електроліті продуктів відновлення активного компонента катоду та швидкістю процесів переносу іонів літію по твердій фазі катоду. Мета і задачі дослідження: розробка високоефективної електрохімічної системи з позитивним електродом на основі ферум дисульфіду та полімерним електролітом, яка здатна зворотно циклуватися при кімнатній температурі, з метою створення літієвого акумулятора. Методи дослідження: для встановлення поставленої мети були застосовані сучасні фізико-хімічні методи дослідження, а саме: для дослідження структурних характеристик порошків ферум дисульфіду - рентгенофазовий аналіз; ІЧ-спектроскопія, еталонна контактна порометрія, термогравіметричний аналіз, скануюча електронна мікроскопія; для встановлення провідності неводних електролітів та отримання імпедансних характеристик - метод імпедансної спектроскопії; для дослідження взаємодії компонентів полімерного електроліту з ферум дисульфідом заліза - ІЧ-спектроскопія, термогравіметричний аналіз.Обмеженість даних стосовно складу та властивостей полімерних електролітів для використання при розробці LIFES2 акумулятора; відсутність даних з впливу структурних та макроструктурних характеристик ферум дисульфіду на ефективність циклування катодів на основі FES2 свідчить про необхідність проведення таких досліджень для розробки високоефективного акумулятору LIFES2, працездатного при кімнатних температурах. Відповідно, катоди, виготовлені з синтезованого нано-піриту, мають більш розвинену поверхню, ніж катоди на основі природного ферум дисульфіду. Окрім опору пасивуючої плівки на літії та перехідного опору межі Li-електроліт, у загальний імпеданс системи додається опір плівки на катоді. При порівнянні систем LIFES2 з рідинним та полімерним електролітом визначено, що загальний імпеданс системи (який включає опір плівки на літії, опір плівки на катоді, та перехідні опори) менше у випадку рідинного неводного електроліту. Але, слід зазначити, що при зберіганні у системах з рідинним електролітом відбувається постійне зростання імпедансу системи, тоді як у системах з полімерним електролітом імпеданс є стабільним починаючи з шостої доби.Розроблена електрохімічна літієва систему з катодом на основі ферум дисульфіду та полімерним електролітом на основі модифікованого полівінілхлориду, яка ефективно циклується при кімнатній температурі. На підставі даних рентгенофазового аналізу встановлено, що походження та умови синтезу ферум дисульфіду впливають на його структурні характеристики. Розроблений метод формування плівки полімерного електроліту на основі ХПВХ, який забезпечує однорідне розподілення усіх компонентів електроліту по його поверхні, та низький імпеданс системи з двома літієвими електродами. Питома провідність полімерного електроліту має той же порядок, що і провідність неводних рідинних електролітів на основі апротонних розчинників. Встановлено, що система LIFES2 з полімерним електролітом на основі ХПВХ ефективно циклується в області потенціалів 1,1 - 2,7В.

Основний зміст роботи

Розроблена електрохімічна літієва систему з катодом на основі ферум дисульфіду та полімерним електролітом на основі модифікованого полівінілхлориду, яка ефективно циклується при кімнатній температурі.

На підставі даних рентгенофазового аналізу встановлено, що походження та умови синтезу ферум дисульфіду впливають на його структурні характеристики. Величина дійсної густини твердої фази синтезованого нано-піриту (3,171 г/см3) значно менша, ніж для природного піриту (4,93 г/см3).

На відміну від зразків природного піриту, синтезований матеріал містить деяку кількість марказиту та сірки, яка додається при синтезі FES2. Співвідношення цих компонентів може змінюватися в залежності від умов синтезу порошків нано-FES2.

Синтезований нано-FES2 має величину питомої поверхні на порядок вищу, ніж у природного піриту.

Розроблений метод формування плівки полімерного електроліту на основі ХПВХ, який забезпечує однорідне розподілення усіх компонентів електроліту по його поверхні, та низький імпеданс системи з двома літієвими електродами.

Встановлено, що провідність полімерного електроліту зростає в ряду LICF3SO3<LIPF6~LIBF4<LICLO4. Питома провідність полімерного електроліту має той же порядок, що і провідність неводних рідинних електролітів на основі апротонних розчинників.

Розроблений полімерний електроліт на основі модифікованого хлором полівінілхлориду може бути застосований при розробці LIFES2 вторинної батареї.

Встановлено, що система LIFES2 з полімерним електролітом на основі ХПВХ ефективно циклується в області потенціалів 1,1 - 2,7В.

В системі з катодом на основі синтезованого ферум дисульфіду, в порівнянні з природним піритом, ємність на першому розряді більше. Використання синтезованого FES2 у якості катодного матеріалу, перспективно для розробки високоенергоємного літієвого первинного джерела струму з полімерним електролітом на основі ХПВХ.

Катоди на основі синтезованого дисульфіду заліза характеризуються більш стабільною здатністю до циклування, в порівнянні з природним піритом.

Випробування лабораторних зразків акумуляторів на основі системи LIFES2 з полімерним електролітом методом гальваностатичного циклування показали, що система ефективно циклується в продовж 200 циклів з ємністю 300-400 А год/кг.

1. Шембель Е.М., Недужко Л.И., Полищук Ю.В., Максюта И.М., Черваков О.В., Рыбалка А.Г., Рейзнер Д. Исследование обратимой работы литиевой вторичной батареи с катодом на основе дисульфида железа. // Вопросы хим. и хим. технологии. - 2000. - №1. - С.350-351.

2. Shembel E.M., Chervakov O.V., Neduzhko L.I.,. Maksyuta I.M, Polischuk Yu.V., Reisner D.E., Novak P., Meshri D.. Investigation of the stability of chlorinated PVC-based polymer electrolyte for lithium power sources // Journal of Power Sources - 2001. - Vol.96. - Р. 20-28.

3. Полищук Ю.В., Недужко Л.И., Максюта И.М., Баскевич О.В., Черваков О.В., Рыбалка А.Г., Шембель Е.М., Рейзнер Д. Структурные характеристики и электрохимические свойства дисульфида железа - катодного материала для литиевых источников тока. // Вопросы хим. и хим. технологии. - 2001. - №4. - с. 98-101.

4. Полищук Ю.В., Шембель Е.М., Недужко Л.И. Исследование обратимой работы литиевых источников тока с катодом на основе дисульфида железа. // Регіональна конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії. - Дніпропетровськ. - 1999. - с.104.

5. Shembel E.M., Neduzhko L.I., Chervakov O.V., Kylyvnyk K.Y., Maksyuta I.M., Polischuk Yu.V., Ye H., Xiao T.D., Reisner D.E.. Lithium-Iron Disulfide Systems in Liquid and Polymer Nonaqueous Electrolytes. // 195th Meeting of the Electrochemical Society, Seattle, Washington, USA, May 2-6, 1999, Abstr. 59.

6. Shembel E.M., Maksyuta I.M., Neduzhko L.I., Chervakov O.V., Polischuk Yu.V., Reisner D.E., Xiao T.D. The Redox Properties of the Films of Thermal Sprayed FES2 in Liquid and Polymeric Nonaqueous Electrolytes. // 197th Meeting of The Eectrocemical Society, The Sheraton Centre, Toronto, Canada, May 14-18, 2000, Abstr. 43.

7. Shembel E.M., Neduzhko L.I., Chervakov O.V., Maksyuta I.M., Kylyvnyk K.Ye., Polischuk Yu.V., Reisner D.E., Xiao T.D. Effect of Iron Disulfide Structure and Nonaqueous Electrolyte Composition on the Characteristics of High-Energy LIFES2 System. // 10th International Meeting on Lithium Batteries “Lithium 2000”, Villa Erba Conference Center, Como, Italy, May 28 - June 2, 2000, Abstr.341

8. Шембель Е.М., Недужко Л.И., Полищук Ю.В., Максюта И.М., Черваков О.В., Рыбалка А.Г., Рейзнер Д. Влияние структуры дисульфида железа и состава неводного электролита на электрохимические свойства LIFES2 вторичной батареи. // VI Международная конференция “Литиевые источники тока”, Новочеркасск, Россия. - 2000. - с. 97.

9. Черваков О.В., Шембель Е.М., Глоба Н.И., Максюта И.М., Задерей Н.Д., Рібалка А.Г., Полищук Ю.В., Коломоец О.В. Перспективные модифицирующие добавки для литиевых источников тока. // VI Международная конференция “Литиевые источники тока”, Новочеркасск, Россия. - 2000. - с. 89.

10. Shembel E.M., Chervakov O.V., Novak P., Neduzhko L.I., Reisner D.E., Meshri D., Polischuk Yu.V., Ribalka A.G.. Polymer electrolytes for LIFES2 secondary battery operational at room temperature. // 6th International Symposium Systems with Fast Ionic Transport, Cracow, Poland, May 9-12, 2001, Abstr. IV-O1.