Смирнов С.С., Амелина Н.Ю., Гагарина О.Г., Смирнов С.Е

 Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия

ЛИТИЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР

 

    Объем продаж литиевых ХИТ в мире еще относительно невелик по сравнению с общим объемом продаж традиционных ХИТ, но они сегодня уверенно теснят на рынке традиционные химические источники тока. Наряду с разработкой литий - ионных аккумуляторов в настоящее время актуально создание полностью твердофазных перезаряжаемых источников тока, обладающих такими уникальными свойствами, как большая энергоемкость, небольшая масса и размеры, способность принимать любую форму. Перспективными катодными материалами для литиевых аккумуляторов  являются литированные оксиды кобальта, никеля, марганца, способные обратимо интеркалировать ион лития и обладающие высокими электрохимическими параметрами: потенциал  разряда  3- 4 В и практическая удельная емкость -120 мА·ч/г. В связи с последними дос­тижениями в электронике возрос интерес к более низковольтным, но обладающим большей удельной емкостью катодным материалам, например, литированным оксидам ванадия [1,2].

   Настоящая работа посвящена исследованию  аккумулятора с анодом из металлического лития ,  катодом  и твердополимерным электролитом (ТПЭ).  Катод представляет собой смесь литий-ванадиевой бронзы (LiV3O8)  с электропроводящей добавкой и связующим в  нанодисперсном состоянии. ТПЭ представляет собой нанодисперсную структуру из полимера и соли лития. В качестве связующего катода и электролита в его порах используется твердополимерный электролит с сополимером полисульфона и перфтордифенилолпропана в качестве полимерной  матрицы. Таким образом  данный  аккумулятор  является твердо-фазным наноcтруктурированным материалом.В работе предложена оригинальная технология получения LiV3O8 с использованием пластического деформирования под высоким давлением [3]. Было установлено, что в таких условиях происходит диспергирование структуры обрабатываемого материала до наноразмерного уровня. Благодаря механической активации смеси  удается также снизить температуру отжига. ТПЭ на основе сополимера полисульфона и перфтордифенилолпропана обладает удельной электропроводностью 3,5∙10-3 Cм /см при 298К и превосходит существующие аналоги [4].  После разработки ТПЭ и активной массы катода можно перейти к созданию твёрдофазного катода и аккумулятора на его основе [5]. В качестве электропроводной добавки в активной массе катода применяли пирографиты PR-3, PR-1 и пенографит ПГ. Как следует из полученных результатов, использование пенографита дает возможность получить более стабильную разрядную характеристику и выигрыш в поляризации. Исследование электродов проводилось также методами рентгеноспектрального микроанализа и электронной микроскопии: состав поверхности электрода анализировался в 10 точках. Анализ спектров элемен-  тов показывает, что использование ПГ приводит к лучшей гомогенности активной массы катода. Помимо выбора  электропроводной добавки необходимо было  также исследовать влияние доли ТПЭ в активной массе катода. В результате экспериментальных исследований установлено, что существует оптимальное соотношение между компонентами твердофазного катода: необходимое содержание твердополимерного электролита не должно быть менее 10%. Электрод аккумулятора с 10% содержанием ТПЭ обладает более высоким разрядным потенциалом, более стабильной разрядной кривой и лучше сохраняет заряд, чем электроды  с 5%                                                                                                                                                    и 15 % содержанием ТПЭ. Меньшая разрядная емкость катода обусловлена  значительно менее равномерным распределением элементов  по электроду и, видимо, неполным использованием его активной массы. Результаты сравнительных испытаний электродов аккумулятора показали,  что    емкость  электрода существенно зависит от его толщины . Кроме того, с уменьшением толщины электрода оптимальный размер частиц LiV3O8 , при котором достигается максимальная удельная ёмкость электрода, смещается в  область наноразмерных величин.

   Была изготовлена партия плоских аккумуляторов для смарт-карт:  габаритные размеры 29*25*0,35 мм, ток разряда С /20 до напряжения 2,3 В, ток заряда - С/10. Проведенные испытания показали, что они имеют преимущества по сравнению с аналогичными   аккумуляторами фирмы Flexion (с ТПЭ и жидким электролитом в порах катода).Энергетические параметры  при комнатной температуре  показывают превосходство твердофазного аккумулятора в 10% по емкости и 18% по удельной энергии. При более низких температурах разрыв увеличивается за счет существенной разницы в электропроводности ТПЭ.

      Литература.                                                                                                 

1.Смирнов С.С. Перспективные материалы литиевых аккумуляторов  // Наукоемкие  технологии.2015.Т.16.№1.С.58-64.

2. Смирнов К.С., Егоров А.М., Смирнов С.С., Савостьянов А.Н. Способ изготовления высокоэффективных катодов // В сборнике: Перспективы развития науки и образования.Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 13 частях. 2015.Тамбов. С. 112-113.

3.Жорин В.А., Смирнов С.С. Способ изготовления активной массы катода литиевого аккумулятора. Патент на изобретение RUS 2329570 30.11.2005

4. Смирнов С.С., Воробьев И.С. Егоров А.М. Твердополимерный электролит литиевого источника тока // Естественные и технические науки. 2012.№ 5. С.84-88.                                                                                                                                                       5. Смирнов С.Е., Пуцылов И.А., Смирнов С.С. Катод литиевого источника тока.  Патент на изобретение RUS 2383970 23.03.2009.