Аннотация

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) широко применяются в настоящее время, поскольку они демонстрируют наиболее высокие величины удельной емкости и энергии, а также имеют длительный срок службы. Для улучшения свойств аккумулятора ведутся разработки новых типов электродных материалов с целью увеличения ёмкости и срока службы при сохранении рыночной стоимости. На данный момент в качестве анода для ЛИА используют графит, однако его ёмкость (372 мАч/г) относительно невелика и, кроме того, в ходе продолжительного циклирования наблюдается её заметное снижение. Таким образом, важной задачей является разработка новых типов анодных материалов, обладающих высокой гравиметрической ёмкостью, а также улучшенной стабильностью в ходе циклирования.

Среди перспективных экологичных, недорогих материалов можно выделить феррит цинка ZnFe2O4 за счёт таких уникальных свойств, как химическая и термическая стабильность и пониженная токсичность цинка по сравнению с другими металлами. ZnFe2O4 относится к анодным материалам с так называемым гибридным механизмом, то есть после протекания основной конверсионной реакции протекает реакция между литием и цинком с образованием сплава. Таким образом, в ходе общего электрохимического процесса переносится до 9 электронов, что приводит к высокой теоретической ёмкости (до 1000 мАч/г). Анодный материал такой высокой ёмкости позволит существенно уменьшить массу конечного аккумулятора при сохранении его характеристик. Однако из-за ряда проблем ZnFe2O4, таких как быстрое падение ёмкости и низкая эффективность на высоких токах вследствие низкой проводимости, значительной агломерации и больших изменений объёма в ходе литирования/делитирования, электродные материалы на основе феррита не находят коммерческого применения.

Проект направлен на решение проблемы неудовлетворительных эксплуатационных характеристик существующих анодных материалов на основе ZnFe2O4 для литий-ионных аккумуляторов. Предполагается, что проводимость кристаллической структуры ZnFe2O4 с кислородными вакансиями возрастёт, и можно предполагать, что электрохимическая производительность материала на основе такой структуры станет выше. Поэтому в рамках проекта планируется впервые установить влияние кислородных вакансий и иных дефектов в структуре ZnFe2O4 на электрохимические свойства (удельную ёмкость, мощность, стабильность в ходе заряд-разряда) в макетах ЛИА.

Ожидаемые результаты

Результатом успешного выполнения данного проекта станет синтез ZnFe2O4 (ZFO) с дефектной структурой (заданное количество дефектов – кислородных вакансий путём варьирования методик синтеза), характеризация полученных частиц и тестирование электродных материалов на их основе в составе литий-ионного аккумулятора, а также выявление структурных факторов, влияющих на проводимость, электрохимические свойства (ёмкость, стабильность в ходе заряд-разряда). Ожидается, что проводимость будет выше для ZFO с кислородными вакансиями, чем ZFO без/или с меньшим количеством кислородных вакансий. Предположительно, если структура материала ZFO с кислородными вакансиями в ходе заряд-разряда обратимо трансформируется, то за счёт улучшения проводимости шпинели в целом, можно ожидать, что ZFO c кислородными вакансиями будет лучше работать при высоких токах, т.е. давать более высокую ёмкость. Результаты проекта обеспечат понимание основ функционирования ZFO с дефектной структурой в коммерческих электролитах для ЛИА состава 1 М LiPF6 EC:DEC (DMC).

Будут исследованы электрохимические свойства электродных материалов на основе ZFO c кислородными вакансиями и без них. Будут проанализированы составы электродов в ходе окисления и восстановления (ex situ РФА, РФЭС, СЭМ и EDX). Успешное выполнение задач по получению новых типов анодных материалов для ЛИА, поставленных в проекте, привлечет интерес со стороны промышленности и общества в силу высокого интереса к развитию экологичных материалов для ЛИА.

По итогам проекта предполагается выпустить не менее четырех публикаций в научных журналах квартилей Q1 и Q2, индексируемых системами Scopus и Web of Science, RSCI.

Проект на сайте РНФ

Название	Ссылка