Композиционный сульфидный катод для твердофазного короткозамкнутого источника тока с литиевым анодом

• Автор: Ковынёва, Наталья Николаевна
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1Л. Литиевые источники тока

1.2. Полимерные электролиты для литиевых источников тока

1.2Л. Сухие полимерные электролиты

1.2.2. Гель-полимерные электролиты

1.2.3. Микропористые полимерные электролиты

1.3. Катодные материалы для литиевых ХИТ

1.3.1. Катодные материалы на основе сульфидов и халькогенидов металлов

1.3.2. Серный катод
1.4. Твердотельные литиевые источники тока
ГЛАВА 2.0БЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Исходные вещества
2.2. Методы исследования твердофазных электрохимических систем
2.2.1. Вольтамперометрия с линейной разверткой потенциала
2.2.2. Циклическая вольтамперометрия
2.2.3. Гальваностатические методы
2.2.4. Импедансный метод исследования
2.2.5. Метод ИК-спектроскопии
2.3. Приборы исследования
2.3.1. Конструкция и сборка электрохимических ячеек
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО СУЛЬФИДНОГО КАТОДА
3.1. Выбор компонентов композиционного катода
3.2. Методика изготовления пленочного сульфидного катода
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ РАЗРАБОТАННОГО КАТОДА В КОРОТКОЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ С ЛИТИЕВЫМ АНОДОМ
4.1. Анализ результатов, полученных методом
гальваностатического включения
4.2. Анализ результатов, полученных методом циклической вольтамперометрии
4.3. Результаты исследований методом электрохимического импеданса
4.4. Продукты катодных реакций
ГЛАВА 5. ТВЕРДОФАЗНЫЙ КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА .
5.1. Модель короткозамкнутой системы
щелочной металл / широкозонный полупроводник
5.2. Конструкция и методика сборки
твердофазного короткозамкнутого пленочного ХИТ
5.3. Электрохимические характеристики макета твердофазного короткозамкнутого пленочного ХИТ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Среди существующих химических источников тока (ХИТ) наиболее совершенными и перспективными являются литиевые системы, которые имеют высокие удельные энергетические характеристики и представляют интерес для энергоснабжения автономных объектовв разнообразных областях народного хозяйства [1,2]. Однако электролиты, используемые в них сегодня, токсичны и обладают высокой химической активностью по отношению к литию и материалам катода, что приводит к деградации электродов и снижению характеристик ХИТ. В связи с этим общемировой тенденцией в создании нового поколения литиевых источников тока является разработка полностью твердофазных устройств, отличающихся повышенной пожаро- и взрывобезопасностью и экологичностью.
Перспективным типом катодов для ХИТ являются композиционные материалы, включающие оксиды или халькогениды элементов с переменной валентностью. Преимущество композиционных катодных материалов на основе полимерного связующего заключается в улучшенных механических свойствах, что позволяет получать композиты в виде тонких (-100 мкм), прочных и эластичных пленок, имеющих, соответственно, низкое значение сопротивления.
Несмотря на широкие перспективы использования композиционных катодных материалов в электрохимических устройствах, существуют лишь единичные работы, посвященные их изготовлению и комплексному исследованию.
В связи с этим исследования, направленные на установление закономерностей электродных процессов, протекающих как в многокомпонентных катодах, и на границе раздела фаз при непосредственном контакте их со щелочным металлом, разработка и обоснование способов управления этими процессами и возможности реализации на их основе преобразователей энергии являются актуальной задачей.

составляет 2,8 В. При циклировании током 0,5 мА/см2 происходит внедрение в катод 2 атомов лития на 1 атом ванадия. При глубине циклирования 30% этот электрод обладает удельной энергией (в расчете на активную массу) 300 Вт-ч/кг.
Согласно литературным данным [88] теоретические значения плотности энергии литиевых элементов с халькогенидными катодами, которые могут быть использованы в качестве вторичного источника тока, лежат в интервале
1,4 - 1,9 Вт-ч/см3. Это позволяет предполагать, что с катодами на основе халькогенидов можно создать вторичный источник тока с реальной удельной энергией 0,3 - 0,5 Вт ч/см3.
1.3.2. Серный катод
Электрохимическая система металлический литий - элементарная сера является перспективной системой для ХИТ, поскольку она обладает высокой теоретической удельной энергией (2600-2700 Вт-ч/кг), и есть все основания полагать, что на её основе возможно создание аккумуляторов с удельной энергией 300-500 Вт-ч/кг и выше. Особенностью литий-серных аккумуляторов является то, что они относятся к ХИТ с «жидким катодом» [89], а электрохимические процессы контролируются процессами массопереноса [90]. В результате электрохимических процессов, протекающих в литий-серных ячейках, образуются полисульфиды лития (Li2Sn), которые растворяются в электролитных растворах. Большой объем работ, посвященных циклированию литий-серных ячеек, проведен B.C. Колосницыным и соавторами. Влияние состава положительных электродов литий-серных ячеек на их циклирование изучалось в работе [91]. Показано, что содержание серы в электродах не оказывает существенного влияния на форму зарядно-разрядных зависимостей, характер снижения емкости в процессе циклирования и эффективность циклирования серных электродов, но достаточно сильно влияет на внутреннее сопротивление литий-серных ячеек.