Введение к работе
Актуальность проблемы
С развитием техники постоянно растет потребность в автономных источниках питания и повышаются требования к ним. Наилучшим образом этим требованиям в настоящее время удовлетворяют литий-ионные аккумуляторы. Причиной этого является их высокая удельная энергия (до 150 Втч/кг) и ресурс до 1000 циклов и более.
Несмотря на очевидные достоинства, область применения литий-ионных аккумуляторов ограничивается их относительно высокой стоимостью, ограниченным током разряда, недостаточно высокой безопасностью в критических ситуациях (глубокий перезаряд, перегрев, короткое замыкание) и некоторыми другими.
Существует ряд областей военного, специального и гражданского применения, требующих мощных автономных источников питания с высокими удельными характеристиками, например, управляемые летательные аппараты, ручной электроинструмент. Кроме того, одним из требований к аккумуляторным батареям для электромобилей и автомобилей с гибридным двигателем является высокая импульсная мощность. Поэтому в настоящее время актуальной задачей является повышение удельной мощности аккумуляторов с электродами из кобальтата лития LiCoO2 и из литированного фосфата железа LiFePO4, так как они имеют несколько различные области применения. Применение литированного фосфата железа в качестве материала положительного электрода позволяет существенно снизить стоимость аккумулятора, повысить его безопасность и ресурс, но в то же время снижает его удельные характеристики.
Цель работы
Целью работы являлась разработка короткоразрядных положительных электродов для литий-ионного аккумулятора на основе кобальтата лития и литированного фосфата железа и их испытания в различных режимах.
Основные задачи состояли в следующем:
Разработать методику изготовления короткоразрядного положительного электрода на основе кобальтата лития и оценить вклад различных параметров в характеристики электрода;
исследовать электрохимическое поведение литированного фосфата железа в качестве активного материала положительного электрода литий-ионного аккумулятора в сравнении с кобальтатом лития;
оценить вклад отдельных электродов в поведение литий-ионного аккумулятора в целом методом электрохимического импеданса;
определить наиболее эффективный способ повышения мощностных характеристик положительного электрода при сохранении его высокой удельной энергии.
На защиту выносятся:
- данные по характеристикам короткоразрядных положительных электродов при работе в реальном литий-ионном аккумуляторе на протяжении длительного срока службы;
- сравнительная оценка короткоразрядных аккумуляторов с положительным электродом из кобальтата лития и литированного фосфата железа;
- новые данные о поведении литий-ионных аккумуляторов с положительным электродом из кобальтата лития и литированного фосфата железа в условиях длительного перезаряда;
- стабилизация структуры литированного фосфата железа при циклировании токами более 1С.
Научная новизна работы
Исследована устойчивость литий-ионного аккумулятора с положительным электродом из кобальтата лития и литированного фосфата железа к длительному перезаряду. Подтверждено, что аккумуляторы с положительным электродом из литированного фосфата железа устойчивы к длительному перезаряду (более двух значений номинальной емкости).
Методом электрохимического импеданса проведена оценка вклада отдельных электродов в поведение короткоразрядных литий-ионных аккумуляторов.
Подтверждена возможность увеличения ресурса положительного электрода из литированного фосфата железа при увеличении токов заряда/разряда за счет стабилизации структуры активного материала.
Показано влияние конструкции аккумулятора на их электрохимическое поведение при разряде токами более 1 С.
Практическая значимость
Отработана методика изготовления короткоразрядных положительных электродов на основе кобальтата лития и литированного фосфата железа.
Предложены различные варианты повышения мощностных характеристик положительных электродов литий-ионного аккумулятора. Изготовленные малогабаритные аккумуляторы показали работоспособность токами до 10 С для LiCoO2 и до 6 С для LiFePO4.
Проведено сравнение кобальтата лития и литированного фосфата железа в качестве активных материалов положительных электродов литий-ионных аккумуляторов с точки зрения удельных характеристик, ресурса при больших токах разряда, устойчивости при перезаряде. Литированный фосфат железа обладает значительно бльшим ресурсом при высоких скоростях разряда по сравнению с кобальтатом лития. В то же время, аккумуляторы с положительным электродом из LiFePO4 обладают более низкими удельными характеристиками по сравнению с аккумуляторами на основе LiCoO2.
Апробация работы и публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.
Основные результаты работы были представлены в качестве докладов на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2005 г.), IХ международной конференции «Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых системах» (г. Уфа, 2006 г.), Х международной конференции «Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых системах» (г. Саратов, 2008 г.), научно-практической конференции «Теоретические и прикладные аспекты современной технологии гальванических покрытий и химических источников тока» (СПбГТИ, Санкт-Петербург, 2009 г.), ХI международной конференции «Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых системах» (г. Новочеркасск, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Теория и практика современных электрохимических производств» (Санкт-Петербург. – 2010 г.).
Личный вклад автора
В работе представлены результаты исследований, полученные автором в ОАО «Аккумуляторная компания «Ригель». Автором была разработана методика изготовления короткоразрядного положительного электрода на основе литированного фосфата железа и рассмотрены различные способы повышения мощности положительного электрода на основе кобальтата лития. Автор лично проводил измерения распределения размеров частиц с помощью лазерного анализатора, непосредственно участвовал в изготовлении электродов и сборке макетов аккумуляторов и проводил все электрохимические эксперименты, в том числе исследования методом электрохимического импеданса. Автором проведен анализ литературы по проблеме активных материалов положительного электрода и их применения в короткоразрядных литий-ионных аккумуляторах, проведено обсуждение результатов и сформулированы выводы по работе.
Исследование образцов литированного фосфата железа методом рентгеновской дифракции выполнено в лаборатории СПбГПУ при участии самого автора, при этом автор производил подготовку образцов к измерениям и непосредственно участвовал в обработке результатов.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, литературного обзора (глава 1), экспериментальной части (главы 2-5), выводов и списка цитируемой литературы (124 наименования). Главы 2 – 5 включают описание методики экспериментов, полученные результаты и их обсуждение, выводы по каждой главе. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста и включает 37 рисунков, 10 таблиц.
![Разработка наноструктурированного катодного материала на основе Li[2]FeSiO[4] для литий-ионных аккумуляторов](/i/i/4709/547407.png "Разработка наноструктурированного катодного материала на основе Li[2]FeSiO[4] для литий-ионных аккумуляторов Ван Циншэн")
