Высокодисперсные материалы на основе оксидов ванадия и марганца для литий-ионных и литий-воздушных химических источников тока

• Автор: Иткис, Даниил Михайлович
• Шифр специальности: 02.00.21, 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с. : ил.

1. Введение.

2. Литературный обзор

2.1. Сопоставление основных типов химических псточпиков тока.

2.2. Литийионные и литийполимерные ХИТ.

2.3. Лнтийвоздушные ХИТ и электродные материалы для них.

2.4. Основные классы материалов положительного и отрицательного электродов литиевых и литийионных ХИТ.

2.4.1. Материалы положительных электродов.

2.4.2. Материалы отрицательных электродов.

2.5. Жидкие, полимерные электролиты н электролиты на основе конных жидкостей.

2.6. Создание перспективных материалов положительного электрода ЛХИТ

2.6.1. Кристаллические структуры оксидов марганца.

2.6.2. Кристаллические структуры оксидов ванадия
2.6.3. Ксерогели оксида ванадия.
2.6.4. Гибридные материалы на основе оксида ванадия.
2.6.5. Наностержни, наноленты и нанотрубки оксидов ванадия
2.7. Основные тенденции развития исследований в области создания новых поколений химических источников тока.
2.8. Заключение
3. Экспериментальная часть.
3.1. Гели и ксерогели У5 .
3.2. Пористые материалы на основе гелей пеитаокенда ванадия
3.3. Гибридные материалы на основе гелей нснтаоксида ванадия.
3.4. Наностсржпн и наноленты оксида ванадия
3.5. Наностержнп диоксида .марганца
3.6. Методики подготовки электродов и ячеек для электрохимических измерений литиевых ХИТ
3.7. Синтез ионной жндгости и подготовка электролитов на се основе.
3.8. Методики подготовки электродов и ячеек для электрохимических измерений лнтийвоздушных ХИТ.
3.9. Методики микроструктурного н физикохимического анализа
4. Результаты и обсуждение.
4.1. Материалы дли положительных электродов литийионных аккумуляторов.
4.1.1. Кссрогели пен гаоксида ванадия с различной предысторией получения.
4.1.2. Гибридные материалы на основе оксида ванадия
4.1.3. Структурные и морфологические особенности материалов на основе оксида ванадия с различной предысторией получения
4.1.4. Функциональные характеристики наноструктурированных НХУ5 и
4.1.5. Особенности приготовления положительных электродов на основе полученных материалов.
4.2. Создание прототипа ЛВЭП с катодом на основе наностсржней НЛОя и аМп .
4.2.1. Особенности получения наностержней аМп
4.2.2. Характеристики созданных прототипов ЛВЭП.
5. Выводы.
6. Слисок использованной литературы.
Список условных обозначений
ЛВЭП литийвоздушный элемент питания ЛИЭП литийионный элемент питания ХИТ химический источник тока Л ХИТ литиевый ХИТ
ii, миллионные доли
ИЖ ионная жидкость, соль, плавящаяся ниже комнатной температуры
ЭДМ электролитический диоксид марганца
ПВДФ поливенилиденфторид
I полианилин
ПТ тетратиофульвален
бензидин
Ф фторопласт Ф, сополимер винилиденфторида и тетрафторэтилена
II пропилен карбонат
ДМЭ 1,2димстоксиэтан
1I поверхностноактивное вещество
I анион бистрифттрметилсульфонил имид
катион 1мстилМпропилпиперидиний
ДВА циклическая вольтамперометрия или вольтамперограмма РЭМ растровая электронная микроскопия ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия ИК инфракрасный
СКР спектроскопия комбинационного рассеяния
РФА рентгенофазовый анализ
ТГЛ термогравиметрический анализ
ДТА дифференциальный термический анализ
РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
ЭД электронная дифракция
УЗ ультразвук
ЯМР ядерный магнитный резонанс
Циклированис режим циклических испытаний аккумулятора, при котором ХИТ подвергается попеременно разряду и заряду постоянным током. Переключение происходит по достижению заданных значений потенциала рабочего электрода
Интеркаляция вхождение катионов или органических веществ гостя во внутренние полости структуры каналы, туннели, межслоевос пространство без существенного изменения строения исходного соединения хозяина
Электрокатализатор материал положительного электрода литийвоздушного элемента, способствующий протеканию реакции восстановления кислорода из газовой фазы
1. Введение
Актуальность


Диоксид марганца как один из классических, дешевых и малотоксичных компонентов широко распространенных химических источников тока переживает в настоящее время ренессанс по причине появления новых методов получения данного материала в форме уникальных морфологических и структурнохимических производных, к которым относится широкий класс структур с туннельной кристаллической структурой, синтезированных в виде наноструктурированных материалов, в основном обладающих большой кристаллохимической анизотропией и формфактором наночастиц, существенно отличающимся от единицы. Получение подобных материалов предопределяет тот ожидающийся скачок в понимании процессов наноионики, катализа, электрокатализа, топотактических реакций, которые возникают при переходе от классических к новым формам диоксида марганца, что, несомненно, обуславливает большую актуальность и высокую фундаментальную значимость тематики проводимых работ. Немаловажным фактором в общемировом повышении интереса к диоксиду марганца и его производным является широкое практическое использование материалов на его основе. В частности, диоксид марганца является основным компонентом для получения материалов с гигантским магнстосопротивлснием и магнеторезистивных датчиков, устройств спинтроники, катализаторов на основе октаэдрических молекулярных сит, окислительновосстановительных катализаторов, катализаторов дожига топлива, сорбентов тяжелых металлов. Тем не менее, все же одним из самых быстро развивающихся и перспективных высокотехнологичных рынков использования материалов на основе диоксида марганца, требующих вложения новых фундаментальнонаучных идей и современных технических решений, является создание высокоэффективных химических источников тока. Особую роль в достижении рекордных функциональных характеристик играют анизотропные наноматериалы на основе Мп, обладающие упорядоченной структурой и уникальными структурными, электрофизическими и электрохимическими характеристиками. К ним, в частности, относятся питсвидныс кристаллы, гибридные нсорганоорганичсские материалы на их основе. Отсутствие успешных попыток проведения отечественных исследований в этой области будет означать резкое отставание в развитии микроэлектроники, гибкой, портативной электроники, а также при решении проблем экологически безопасного электротранспорта, важных вопросов развития авиакосмической техники, мобильной связи, медицинской техники. Новым поколением литиевых химических источников тока являются литийвоздушные аккумуляторы. Устройство такого аккумулятора является достаточно простым и эффективным, так что оно использует в качестве потенциалообразующей реакцию окисления кислородом воздуха металлического лития, реализуемую путем ионного обмена через слой неводпого электролита и реакции восстановления кислорода на внешней пористой мембране, содержащей катализатор процесса. Основным преимуществом такого химического источника тока является неограниченный запас окислители во внешней среде кислорода воздуха и, соответственно, чрезвычайно высокие емкостные характеристики таких аккумуляторов, уже примерно на порядок превышающие аналогичные показатели коммерческих литийионных аккумуляторов при сохраняющихся высоких мощностях разряда и других эксплуатационных характеристиках. Данное направление исследований в последнее время получило интенсивное, революционное развитие в США, Канаде, странах Европы и Азии. Для дальнейшего развития данного направления требуются детальные исследования электрохимической, физикохимической и структурнохимической природы процессов, происходящих с участием катализатора оксидных наночастиц, способствующих протеканию сопряженной реакции восстановления кислорода на внешней мембране токосъемнике. Следует также отметить, что содержание каталитических оксидов в литийвоздушных источниках тока существенно меньше, чем содержание оксидов, выступающих в роли активных материалов, в лигийионных батареях, что способствует удешевлению батарей, а также снижению экологических и токсикологических рисков, возможному продлению времени устойчивой эксплуатации. В настоящей работе разработаны анизотропные нанокристаллические материалы на основе оксидов ванадия и диоксида марганца, которые являлись основными объектами исследования и продемонстрировали рекордные электрохимические свойства. ИЖ, для защиты металлического литиевого анода литийвоздушных аккумуляторов с катодом из синтезированных наноматериалов. Научная новизна работы может быть сформулирована в виде следующих положений, которые выносятся на защиту.