Механохимический синтез и электрохимические характеристики наноструктурированного LiFePO4

• Автор: Кудрявцев, Евгений Николаевич
• Шифр специальности: 05.17.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 144 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Предмет исследования

Научная новизна.

Практическое применение

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1. СТРУКТУРА ЫРеР

1.2. МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПРеР.

1.2.1.Твердофазный синтез.

1.2.2. Жидкофазный синтез.

1.2.3. Механохимический синтез
1.2.4. Гидротермальный синтез.
1.3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.
1.3.1. Реакции, протекающие при термообработке
1.3.2. Температурный режим термообработки.
1.3.3. Методики термообработки
1.4. ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ 1лРеР
1.4.1. Уменьшение размера частиц
1.4.2. Модифицирование поверхности частиц.
1.4.3. Модифицирование состава материала допирование
1.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
2.1. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИНТЕЗОВ.
2.1.1. Измельчение
2.1.2. Соосаждение
2.1.3. Механохимическая активация.
2.1.4. Распылительная сушка.
2.1.5. Таблетирование.
2.1.6. Термообработка.
2.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТОВ
2.2.1. Конструкция макетов
2.2.2. Сборка макетов.
2.2.3. Комплектующие
2.2.4. Приготовление активной массы.
2.2.5. Изготовление электродов
2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА
2.3.1. Рентгенофазовый анализ.
2.3.2. Сканирующая электронная микроскопия
2.3.3. Порометрия и исследование удельной поверхности.
2.3.4. Термогравиметрический и дифференциальнотермический анализ.
2.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.4.1. Гальваностатическое циклирование.
2.4.2. Циклическая вольтамперометрия
2.4.3. Электрохимическая импедансная спектроскопия
2.4.4. Поведение литиевого электрода при исследовании
двухэлектродных макетов.
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1. ТВРДОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ.
3.1.1. Проведение эксперимента.
3.1.2. Исследование структуры
3.1.3. Электрохимические исследования
3.2. ЖИДКОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ
3.2.1. Проведение эксперимента.
3.2.2. Исследование структуры
3.2.3. Электрохимические исследования
3.3. МЕХАНОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ.
3.3.1. Проведение эксперимента.
3.3.2. Исследование структуры
3.3.3. Электрохимические исследования.
3.4. СОПОСТАВЛЕНИЕ ВАРИАНТОВ СИНТЕЗА
3.5. ЗАКЛЮЧЕННОЕ
ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.
4.1. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО 1ЛРеР
4.2. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ВНЕДРЕНИЯ
4.2.1. Вооружения, военная и специальная техника
4.2.2. Электромобили
4.3. ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО
ВНЕДРЕНИЯ.
выводы.
Список использованной литературы


В процессе исследования традиционных методов синтеза, а также механохимического синтеза, показано влияние введения органических добавок на электрохимические характеристики, а также на размер частиц материала. Проведён анализ аппаратного обеспечения различных вариантов синтеза и выбран набор оборудования для проведения механохимического синтеза с учётом возможности масштабирования процесса синтеза материала и последующего его промышленного производства. Выполненные структурные и электрохимические исследования продуктов различных видов синтеза показали превосходство механохимического синтеза для получения качественного фосфата лития железа с точки зрения как энергетических, так и эксплуатационных характеристик. Представлены примеры практического использования фосфата лития железа, полученного путём механохимического синтеза, в качестве катодного материала при производстве литий-ионных аккумуляторов для военного и гражданского применения. Научная новизна работы определяется тем, что на основе изучения особенностей известных методов синтеза фосфата лития железа (твердофазного, жидкофазного и гидротермального) и их конечных и промежуточных продуктов, разработан новый синтез, включающий стадию механохимической активации исходных веществ в реакционно-способной среде. Показано, что получаемый материал отличается стабильно высокими электрохимическими свойствами, превосходящими свойства продуктов твёрдофазного и жидкофазного синтезов фосфата лития железа из схожих исходных веществ (карбоксилатов лития и железа). Технология механохимического синтеза 1лРеР разработана с учётом возможности её масштабирования для промышленного производства без чрезмерного усложнения промышленного оборудования и без высоких энергозатрат. Такой подход позволяет минимизировать себестоимость производства, как фосфата лития железа, так и литий-ионных аккумуляторов на его основе. В настоящее время в ОАО «Аккумуляторная компания «Ригель» функционирует участок, выпускающий 1ЛРеР на основе технологии механохимического синтеза, разработанной в результате настоящего исследования. Полученный материал используется при сборке опытных партий высокомощных литий-ионных аккумуляторов ёмкостью 1,8; и Ач. В году на базе ОАО «Аккумуляторная компания «Ригель» будет введена в строй производственная линия по выпуску фосфата лития железа производительностью тонн в год для обеспечения текущих потребностей компании при выпуске серийной продукции. С года ОАО «АК «Ригель» планирует реализовать более масштабный проект, в рамках которого предусматривается к году организовать производство механохимическим методом не менее 0 тонн фосфата лития железа в год. Данный проект реализуется по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации. В настоящее время выполняются НИОКР в области военной и гражданской тематики, в рамках которых разрабатываются литий-ионные аккумуляторы, использующие фосфат лития железа, полученный по методике, предложенной в настоящей работе. Новые перспективы практического внедрения фосфата лития железа открываются в случае замены традиционного углеродного анодного материала на титанат лития. ГЛАВА 1. В природе фосфат лития железа представлен минералом трифилином (рисунок 1. Данный минерал относительно широко распространён и проявляет электрохимическую активность, однако малоперспективен для его непосредственного использования в литий-ионных аккумуляторах, так как его чистота редко превышает %, а электрохимические свойства существенно уступают синтетическим образцам []. Поэтому возникает необходимость в синтезе искусственного материала с требуемыми свойствами. Рисунок 1. При достижении необходимой чистоты данный материал отличается высокой ёмкостью 0 мАч/г и пологой разрядной характеристикой при потенциале 3,4 В относительно лития. Он имеет упорядоченную оливиноподобную гексагональную плотноупакованную кислородную структуру (пространственная группа Pmnb) (рисунок 1. Теоретическая плотность LiFeP - 3,6 г/см3 [], а средние параметры кристаллической решётки составляют: а= , A, b = 6, А, с = 4, A, V = 1,2 А3 [, , ].