Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА

Чудинов Е.А. 1 Ткачук С.А. 1 Шишко В.С. 1 Кокорин А.Н. 1
1 Сибирский государственный технологический университет
В работе представлены результаты исследования состава и свойств синтетического графитового порошка. Показана возможность его использования в качестве материала отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора. Для определения вида фазы и структуры графитового порошка образцы были исследованы методом рентгенофазового анализа. Методом микрорентгено-спектрального анализа определены размеры частиц катодного порошка и показана возможность использования их в промышленных образцах литий-ионного аккумулятора. С использованием циклической вольтамперометрии получены разрядные-зарядные кривые. Показана возможность электродов к циклированию с емкостью порядка 320–350 мАч/г в качестве анода литий-ионного аккумулятора. Электрохимическое тестирование аккумуляторов показало, что графитовые порошки марки HRG-130801, 518, AGP-8 могут быть использованы в качестве анодных материалов. Опытные образцы литий-ионных аккумуляторов, изготовленные с применением в качестве анода порошков HRG-130801, 518, AGP-8, способны к длительному циклированию со скоростью до 2С и емкостью более 250 Ач.
отрицательный электрод литий-ионного аккумулятора
1. Кедринский И.А., Яковлев В.Г. Li-ионные аккумуляторы. – Красноярск: ИПК Платина, 2002. – 266 с.
2. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. – М.: Аспект-пресс, 1997. – 720 с.
3. Aurbach D., Eni-Eli Y., Chusid O., Carmel Y., Babai M., Yamin H. The Correlation Between the Surface Chemistry and the Performance of Li-Carbon Intercalation Anodes for rechargeable «Roking-Chair» Type Batteries // J. Electrochem. Soc. – 1994. – Vol. 141. – № 3. – P. 603–611.
4. Shu Z.X., McMillan R.S., Murray J.J. Electrochemical Intercalation of Lithium into Graphite // J. Electrochem. Soc. – 1993. – Vol. 140. – № 4. – P. 922–927.
5. Suzuki K., Suzuki K., Hamada T., Sugiura T. Effect of Graphite Surface Structure on Initial Irreversible Reaction inGraphite Anodes. J.Electrochem. Soc. – 1999. – Vol. 146. – № 3. – P. 890–897.
6. Han Y.S., Jung J. H., LeeJ.Y. Investigation on the First-Cycle Charge Lossof Graphite Anodes by Coating of the Pyrolytic Carbon Using Tumbling CVD // J. Electrochem. Soc. – 2004. – Vol. 151. – № 2. – P. 291–295.

Синтетический графит нашел широкое применение в качестве материала отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора [1–5]. При этом применение углеграфитовых электродов осложнено побочными процессами, связанными с образованием на их поверхности твердого слоя, состоящего из продуктов восстановления компонентов электролита.

Цель исследования. Исследование синтетического порошка графита для установления структуры и фазы анодного материала. Возможность к многократномуциклированию и применимость в качестве электрода для промышленно выпускаемого литий-ионного аккумулятора.

Материалы и методы исследования

В качестве методов использовали микрорентгено-спектральный анализ, рентгенофазный анализ, потенциодинамическое и вольтамперометрическое циклирование.

Исследованию были подвергнуты 6 опытных образцов анодного порошка с серийными номерами 518, AGP-8, HRG-130801, SSG11-130401, № 6, № 4.

Для приготовления анодной массы использовалось следующее соотношение компонентов: анодный порошок – 78,1 %, связующее – 21,9 % масс.

Замес анодной массы проводили с помощью вакуумного миксера MSK-SFM-7 в стандартной емкости объемом 150 мл.

У свежеприготовленной анодной смеси измеряли вязкость, плотность и сухой остаток, полученные параметры приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры анодной массы

Образец

Вязкость, мПа∙с

Плотность, г/см3

Сухой остаток, % масс.

ВЕП, г/дм2

518

1319

1,37

52,13

1,719

AGP-8

1740

1,38

52,34

1,726

HRG-130801

более 10 000

1,39

52,24

1,850

SSG11-130401

870

1,38

51,87

1,761

№ 6

8798

1,19

33,66

1,538

№ 4

3619

1,39

52,58

1,770

Полученную анодную массу наносили на медную фольгу размером 190х330 мм на установке нанесения MSK-AFA-III при следующих параметрах: толщина слоя – 100 мкм, скорость нанесения –
6 м/мин. После нанесения аноды сушили в установке нанесения при температуре 55 °С в течение 15 мин.

Затем все образцы дополнительно просушивались при температуре 80 °С в течение 2,5 ч. У высушенных электродов измеряли ВЭП.

Для определения активной массы анодов производили вырезание квадратов с размерами 100×100 мм (по шаблону) из всех приготовленных образцов анодов и чистой фольги (рис. 1 Приложения). Квадраты взвешивали на аналитических весах и рассчитывали ВЕП (от 1,538 до 1,850 г/дм3). Результаты приведены в табл. 1.

Для изготовления электродов макетов аккумуляторов из листов фольги с активной массой вырезали электроды в виде «флажков» размером 10×20 мм с токовыводом длиной 50 мм вдоль короткой стороны.

В качестве корпуса использовалась полиэтиленовая пленка. Из нее с помощью запаивателя пакетов типа «Молния» были изготовлены пакеты размером 50×60 мм.

В качестве сепаратора использовались пакеты размером 20×30 мм с двумя внутренними перегородками, полученные путем спаивания краев с трех сторон с помощью запаивателя пакетов типа «Молния».

Сборку макетов аккумулятора производили в полиэтиленовых корпусах, в которые заливался электролит 1 см3. Затем корпус герметично запаивался с помощью запаивателя пакетов «Молния».

Электрохимические испытания макетов аккумуляторов проводились в гальваностатическом режиме в области потенциалов от 2,5 до 3,9 В на анализаторе батарей BST8-MA.

Ток заряда/разряда изготовленных макетов аккумуляторов составил 0,2 Сн.

Результаты исследования и их обсуждение

Рентгенофазовый анализ образцов выполнен на порошковом дифрактометре ДРОН-4. Метод РФА образцов анодных материалов показал, что присутствует одна фаза – графит с гексагональной решеткой (рис. 1).

pic_39.wmf

Рис. 1. Рентгенограмма анодного порошка марки HRG-130801

Электрохимические тестирования макетов аккумулятора показали, что электроды на основе исследуемого анодного порошка способны к циклированию с емкостью порядка 320–350 мАч/г.

На рис. 3 приведена зарядно-разрядная кривая 10-го цикла аккумулятора с анодами из исследуемого углеродного материала. Из данного рисунка видно, что аккумуляторы с анодом на основе графита марки HRG-130801 способны к многократному циклированию.

Процесс интеркаляции/деинтеркаляции ионов лития из материала отрицательного электрода обратим, что видно из формы потенциодинамических кривых, представленных на рис. 2.

Гальваностатические испытания катода на основе LiFePO4 показали, что зарядно-разрядные кривые для 2 и 20 цикла по своей форме практически идентичны, а величины разрядной и зарядной емкости совпадают и составляют около 150 мАч/г.

pic_40.tif

Рис. 2. Зарядно-разрядная кривая 10-го цикла аккумулятора

pic_41.wmf

Рис. 3. Потенциодинамические кривые 2-5 цикла анодного материала марки HRG-130801

Полученные в результате тестирования макеты аккумуляторов с анодом на основе различных углеродных материалов приведены в табл. 2.

Микрорентгено-спектральный анализ элементного состава катодного и анодного материалов на сканирующем электронном микроскопе ТМ-3000 (Hitachi) с энергодисперсионным спектрометром (Bruker) показал, что они представляют собой частицы 1 и 1–10 мкм соответственно, что делает их пригодными для использования в промышленном производстве
аккумуляторов.

Таблица 2

Электрохимические характеристики анодных материалов

Образец

Эффективность
по 1-му циклу, %

Разрядная емкость
5-го цикла, мАч/г

Эффективность
по 5-му циклу, %

518

70,8

363,7

84,7

AGP-8

72,8

282,8

80,9

HRG-130801

48,2

209,6

91,3

SSG11-130401

17,2

5,4

64,3

№ 6

68,8

390,3

83,4

№ 4

40,2

202,5

75,2

pic_42.wmf

Рис. 4. Зависимость зарядной и разрядной емкости ЛИА
от цикла (анод HRG-130801)/LiFePO4(3 % C)

pic_43.wmf

Рис. 5. Зависимость разрядной емкости аккумуляторов с ОУНТ и без них в зависимости от плотности тока заряда/разряда

Испытания опытных образцов литий-ионных аккумуляторов показали, что они способны работать в интервале плотностей тока до 2 С, как это показано на рис. 5.

Заключение

  1. Исследуемые графитовые порошки марки HRG-130801, 518, AGP-8 могут быть использованы при промышленном производстве литий-ионного аккумулятора.
  2. Опытные образцы литий-ионных аккумуляторов, изготовленные с применением в качестве анода порошков HRG-130801, 518, AGP-8 способны к длительному циклированию со скоростью до 2 С.

Рецензенты:

Пантелеев В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электротехнических комплексов и систем Политехнического института Сибирского федерального университета, г. Красноярск;

Патрушева Т.Н., д.т.н., профессор кафедры приборостроения и наноэлектроники Сибирского федерального университета, г. Красноярск.

Работа поступила в редакцию 07.05.2014


Библиографическая ссылка

Чудинов Е.А., Ткачук С.А., Шишко В.С., Кокорин А.Н. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-7. – С. 1389-1392;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34347 (дата обращения: 13.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074