Исследование связующего анодных материалов литий-ионных аккумулятора Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 7/2019

сборки аккумулятора.

- на втором этапе происходит повышение температуры и переход электролита в газообразное состояние;

- на третьем этапе начинается сгорание. Электролиты ЛИА являются органическими, которые представляют собой практически универсальные комбинации циклических и линейных алкилкарбонатов. Они обладают высокой летучестью и легко воспламеняются [6].

Список использованной литературы:

1 Kai Liu, Yayuan Liu1, Dingchang Lin, Allen Pei, Yi Cui // Materials for lithium-ion battery safety // SCIENCE ADVANCES 2018;4: eaas9820

2 А. М. Румянцев, Е. Г. Волжинская, В. В. Жданов // Поведение малогабаритных литий-ионных аккумуляторов в условиях перезаряда // ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2007. Т. 7, № 2. С.73-77

3 Т. Л. Кулова, А. М. Скундин // Простой метод диагностики причин деградации электродов при циклировании литий-ионных аккумуляторов // ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2011. Т. 11, № 4. С.171-178

4 F. Larsson, P. Andersson, B.-E. Mellander, Lithium-ion battery aspects on fires in electrified vehicles on the basis of experimental abuse tests. Batteries 2, 9 (2016).

5 C.-C. Lin, H.-C. Wu, J.-P. Pan, C.-Y. Su, T.-H. Wang, H.-S. Sheu, N.-L. Wu, Investigation on suppressed thermal runaway of Li-ion battery by hyper-branched polymer coated on cathode. Electrochim. Acta 101, Р. 11-17 (2013).

6 А.Н. Кожевников, А.В. Гречинская, В.В. Жданов, А.В. Краснобрыжий // поведение литий-ионного аккумулятора емкостью 150 Ач в экстремальных условиях // ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 2008. Т. 8, № 1. С. 46-50

© Бураков М.А., Липкин М.С., Семенкова А.В., Писарева А.Г., 2019

УДК 621.355

М. А. Бураков,

студент 2-го курса магистратуры ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова,

г. Новочеркасск, РФ Е - mail: maburakov@yandex.ru М.С. Липкин,

д. т. н., ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова, Е - mail: lipkin@yandex.ru А. В. Семенкова,

студентка 1-го курса магистратуры ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова

г. Новочеркасск, РФ Е - mail: semenkovaanastasiy@mail.ru А.Г. Писарева

студентка 1-го курса магистратуры ЮРГПУ(НПИ) имени М.И. Платова

г. Новочеркасск, РФ Е - mail: nyuta_golovina@mail.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗУЮЩЕГО АНОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРА

Аннотация

Исследование анодного материала без применения связующего позволяет определить

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 7/2019

интеркаляционную способность материала и проследить влияние связующего на работу электрода.

Ключевые слова:

связующее анодных материалов литий-ионных аккумуляторов интеркаляция/деинтеркаляция, потенциостатическая хроноамперометрия, потенциостатическая кулонометрия.

Принцип работы ЛИА заключается в интеркаляции/деинтеркаляции ионов лития в материалы анода и катода [1]. Интеркаляция лития в графит является сложным и не всегда воспроизводящимся процессом, что связано с формированием на поверхности графита SEI [2] на протяжении первых 3-5 циклов работы. SEI состоит из продуктов реакции восстановления электролита и некоторого количества восстановленного лития [3]. Эти пленки также содержат продукты восстановления электролита, которые зависят еще и от состава растворителей, используемых в ЛИА [4].

Следовательно, находящиеся на их поверхности оксидные слои и различные поверхностно-функциональные группы будут оказывать влияние на состав и ионную проводимость поверхностной пленки. На формирование SEI также влияет состав и концентрация используемого связующего. Связующее, используемое во многих типах ЛИА, являясь органическим полимером, может служить матрицей для формирования функциональной ионпроводящей пленки и обеспечивать необходимый состав активной массы который способствует образованию необходимой поверхности SEI [5]. Оценку и идентификацию реальной роли связующего может дать сравнительное исследование электродов со связующим и без него, выполненное в настоящей работе.

Сравнение ЦВА - зависимостей для обоих типов электродов (рисунок 1) показывает, что в отсутствии связующего ЦВА-кривые являются ассиметричными (отсутствует анодная ветвь в области потенциалов -1000 -2000 мВ). Это означает, что в отсутствии связующего интеркаляция является необратимой, что является следствием потери межзеренных ионных контактов в результате интеркаляции [5]. Электрод со связующим является обратимым, о чем свидетельствует близость потенциалов катодного и анодного пиков. Если для марки графита со связующим коэффициент использования зарядной емкости в условиях поджима электродов составляет 65,6%, то для работы электрода без поджима и связующего он составляет не более 10%.

Рисунок 1 - ЦВА серийного графита СР-5Н: а) графит без связующего, б) связующее ПВДФ

Для исследования причин различий были проведены исследования обоих электродов были использованы метод ступенчатой потенциостатической хроамперо- и кулонометрии. Зависимости dQ от Е для обоих типов электродов (рисунок 2) показывают, что катодный процесс на начальных этапах в присутствии связующего представляет собой восстановление ПФГ при потенциалах около -1,5 В, при потенциалах -2 -2,5 В начинается обратимый двухстадийный процесс внедрения лития. В отсутствии связующего особых точек на изучаемой зависимости не было, что можно связать либо с образованием на катоде непроницаемой для лития пленки, либо отмеченным отслаиванием, либо совокупностью этих процессов, приводящих к снижению обратимости.

б

а

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 7/2019

а б Рисунок 2 - Зависимости количества электричества на каждой из ступеней от потенциала серийного

углерода CР-5H: а) со связующим; б) без связующего

Значения коэффициентов диффузии лития в интеркалате материала со связующим оказывается значительно выше, чем для материала без связующего (рисунок 3), что можно связать с внедрением лития в последнем случае вместе с сольватной оболочкой, что делает интеркаляцию необратимой. Связующее играет роль фильтра для сольватной оболочки, что и ускоряет процессы переноса.

6 Н-1-1-г

1.5 2 2,5 3 3,5

Рисунок 3 - Коэффициенты диффузии ионов лития в графитовые электроды: 1 - со связующим, 2 - без связующего

Список использованной литературы:

1. Keith J. Stevenson. Understanding ion solvation structure, energetics and kinetics insuper-concentrated electrolytes for energy storage. XV international conference «Topical problems of energy conversion in lithium electrochemical systems» Saint-Petersburg, September 17-20, 2018, Р. 17-18.

2. Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Li-ионные аккумуляторы. Красноярск: «Платина», 2002. 268с.

3. V.V. Kondratiev, S.N. Eliseeva, R.V. Apraksin, E.V. Shkreba,K.A. Vorobyeva, Kamenskii M.A., E.G. TolstopyatovaЕffect of conducting polymer binder on the electrochemicalperformance of electrode materials for lithium-ion batteries. XV international conference«Topical problems of energy conversion in lithium electrochemical systems» Saint-Petersburg, September 17-20, 2018

4. Ярмоленко О.В, Юдина А.В., Игнатова А.А. Современное состояние и перспективы развития жидких электролитных систем для литий-ионных аккумуляторов //Электрохимическая энергетика. 2016. Т.16, №4. С. 155-195.DOI: 10.18500/1608-4039-2016-4-155-195.

5. Липкин М.С., Климов Д.Н., Целых А.Н., Новоселов В.В., Семенкова А.В., Бураков М.А., Писарева А.Г. Изучение стадий зарядных процессов графитового электрода литий-ионного аккумулятора в этиленкарбонатном электролите //Известия вузов. Северо-кавказский регион. Технические науки. 2019. №1. С. 110-114.DOI: 10.17213/0321-2653-2019-1-110-114.

© Бураков М.А., Липкин М.С., Семенкова А.В., Писарева А.Г., 2019