Катодний матеріал електрохімічного джерела струму з літієвим анодом та неводним розчином електроліту

Реферат: Катодний матеріал електрохімічного джерела струму з літієвим анодом та неводним розчином електроліту складається із синтезованої активної речовини, струмопровідної добавки та зв'язуючої речовини. Як активну речовину взято магній-цинкову шпінель складу Mg0,5Zn0,5Fe2O4. UA 72226 U (12) UA 72226 U UA 72226 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі фізичного матеріалознавства та електрохімії. Запропонований матеріал може бути використаний як катодна речовина у хімічних джерелах струму з літієвим анодом та неводним розчином електроліту. Літій-іонні акумулятори мають найбільш високі енергетичні показники серед електрохімічних систем і широко застосовуються в найрізноманітніших сферах сучасної техніки: електронних пристроях, засобах мобільного зв'язку, переносних комп'ютерах і т. ін. Сучасний розвиток нових технологій і напрямків техніки ставить підвищені вимоги до літієвих джерел струму. У зв'язку з прагненням до покращення властивостей електрохімічних джерел живлення на сьогоднішній день продовжується експериментальна апробація можливостей застосування катодних матеріалів різних класів, зокрема виділяються шпінельні системи, які є перспективними при застосуванні їх в якості катодного матеріалу для електрохімічних джерел струму завдяки стійкості кристалічної структури при значних концентраціях впровадження літію [1]. Крім цього, будова шпінелі, дозволяє літію майже вільно поширюватися в усіх трьох напрямках кристалічної структури. На сьогоднішній день актуальним завданням технології літієвих акумуляторів струму є пошук нових, економічно дешевих, ефективних, екологічно безпечних і нешкідливих катодних матеріалів, що володіють покращеними електрохімічними характеристиками. Відомо, що електрохімічні характеристики катодного матеріалу значною мірою залежить від методу його отримання. Метод синтезу вибирається таким чином, щоб уникнути можливого попадання домішок різної природи, які можуть змінити властивості отриманої сполуки. Останнім часом особлива увага приділяється технологіям, які дозволяють отримувати нанорозмірні порошкові матеріали, оскільки морфологічні та структурні властивості таких матеріалів дають можливість реалізувати як об'ємну, так і поверхневу локалізацію іонів літію в електродний матеріал при проведенні електрохімічної інтеркаляції. На даний час досліджено ряд катодних матеріалів на основі шпінельних систем різного хімічного складу, які здатні адсорбувати іони літію. Серед них помітне місце займають літіймарганцева (LiMn2O4) [2-3], мідь-кобальтова (СuСо2О4) [4], літій-кобальт-марганцева (LiМn1,95Со0,05O4) [5] та інші шпінелі. Найбільш близьким до винаходу являється катодно-активний матеріал, в якості якого 2+ використано порошок допійованої іонами Co літій-марганцевої шпінелі LiМn1,95Со0,05O4 [5], який отримано твердофазним синтезом із реагентів МnО 2, Сo3О4, Lі2СО3 та LiOH. Катодний матеріал електрохімічного джерела струму складається із активної речовини, струмопровідної добавки та зв'язуючої речовини. Значення розрядної ємності електродів із шпінелі складу LiМn 1,95Со0,05O4 на першому циклі співпадає з розрядною ємністю літій-марганцевої шпінелі і складає ~ 90 А∙год./кг. Однак, на відміну від LiМn2O4, для шпінелі LiМn1,95Со0,05O4 спостерігається стабілізація ємнісних характеристик при циклюванні. Та, незважаючи на це, джерела струму на основі катодно-активного матеріалу складу LiМn1,95Со0,05O4 мають суттєві недоліки, до яких можна віднести низькі значення електрохімічних характеристик, токсичність та високу вартість. Отже, задача даної корисної моделі полягає у створенні катодного матеріалу для літійіонного акумулятора, який матиме високі значення питомих ємнісних та електричних характеристик за умови стабільної розрядної напруги, і, разом з цим, буде економічно доступним та екологічно безпечним. Поставлена задача досягається шляхом використання нанодисперсного порошку магнійцинкової шпінелі Mg0,5Zn0,5Fe2O4 як активної складової катоду джерела електричного струму. У порівнянні з прототипом, джерело електричного струму, створене на основі Mg 0,5Zn0,5Fe2O4, характеризується: високим значенням питомої ємності (~595 А∙год./кг) та енергії (~1605 Вт∙год./кг), що суттєво перевищує відповідні значення відомих літієвих джерел струму; горизонтальною ділянкою розрядної кривої із постійним значенням напруги ~ 2,8 В у широкому інтервалі залишкової розрядної ємності; високим ступенем "гостьового" + навантаження Li (на формульну одиницю шпінелі) х = 4,9; Приклад конкретного виконання Активний катодний матеріал - нанодисперсний магній-цинковий порошок (Mg0,5Zn0,5Fe2O4), який отримано за допомогою методу золь-гель з участю автогоріння, використовуючи в якості . реагентів оксид магнію (MgO), оксид цинку (ZnO), нітрат заліза (Fe(NO 3)3 9H2O), азотну (HNO3) . та лимонну (С6Н8O7 Н2О) кислоти. Синтез катодного матеріалу включає наступні стадії: приготування водних розчинів нітратів металів з урахуванням їх стехіометричного співвідношення, додавання оптимальної кількості лимонної кислоти (1:1), доведення рівня рН 1 UA 72226 U 5 10 15 20 25 30 35 40 до 7 за допомогою 25 %-го розчину NH4OH, висушування розчину при температурі 130 °C до утворення ксерогелю, автогоріння сухого гелю з утворенням порошку. Проведений рентгеноструктурний аналіз (фіг. 1) підтвердив, що кінцевою сполукою реакцій виявився ферит Mg0,5Zn0,5Fe2O4 зі структурою шпінелі просторової групи Fd3m. Нанорозмірність частинок підтверджує СЕМ фотографія отриманого порошку (фіг. 2). Використовуючи отриманий порошок, була сформована електрохімічна комірка у герметичному скляному боксі, осушеному Р2О5, яка містила катод та літієвий анод. Катод виготовлявся із однорідної суміші механічно змішаного досліджуваного активного матеріалу (88 мас. %), струмопровідної сажі (10 мас. %) та зв'язуючого компоненту - тефлону (2 мас. %). Для досягнення пастоподібної консистенції до отриманої суміші додавався ацетон. Пастоподібна 2 суміш наносилась на нікелеву сітку розміром 10 × 10 мм , до якої попередньо приварювались молібденові стержні діаметром 0,5 мм, які служили струмовиводами. Анод виготовлявся з металевого літію. Отримані електроди сушились протягом 1 год. в сушильній камері при температурі близько 130 °C. Як електроліт був вибраний одномолярний розчин LiBF 4 в бутиролактоні, який забезпечив одночасно хімічну та електрохімічну стійкість анод-катодної пари в процесі роботи комірки. Після герметизації для досягнення термодинамічної рівноваги комірка витримувалась при кімнатній температурі протягом 24 годин. Розрядна крива запропонованого матеріалу знята у гальваностатичному режимі приведена на фіг. 3. Таким чином, використання заявленої корисної моделі дозволить досягнути стабільної розрядної напруги ~2,8 В та підвищити в декілька раз значення електрохімічних характеристик літієвих джерел струму, що, в свою чергу, дає можливість розширити клас хімічних акумуляторів струму з широкими можливостями їх подальшого вдосконалення. Перелік цитованої літератури 1. И.Ю. Готлиб, И.В. Мурин, Е.И. Пиотровская. Молекулярно-динамическое моделирование твердых растворов LixMn2O4 со структурой шпинели с применением простых модельных потенциалов// Неорганические материалы, 39(4), c. 489-494 (2003). 2. Скундин A.M., Ефимов О.Н., Ярмоленко О.В. Современное состояние и перспективы развития исследований литиевых аккумуляторов // Успехи химии, 71(4), 2002. 3. B.C. Дубасова, Е.В. Махонина, B.C. Первое. Исследование поведения литий марганцевых шпинелей в качестве материала литий ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика, 2(3), c. 111-115 (2002). 4. Колесникова І.П., Щадних Н.М., Макордей Ф.В., Поліщук В.Ю., Блайда І.А. Дослідження мідь-кобальтової шпінелі, отриманої екстраційно-піролітичним методом // Вісник ОНУ, 11 (4), 2006. 5. Э.И. Качибая, Р.А. Имнадзе, Т.В. Паикидзе, Е.И. Карсеева, Н.В. Коровин, Т.П. Кулова, A.M. Скудин. Структура и электрохимические свойства допированных кобальтом литиймарганцевых шпинелей для перезаряжаемых литиевых источников тока // Электрохимическая энергетика, 2(1), c. 12-17 (2002). Перелік фігур креслення до патенту "Катодний матеріал електрохімічного джерела струму з літієвим анодом та неводним розчином електроліту". Фіг. 1. Дифрактограма порошку складу Mg0,5Zn0,5Fe2O4. Фіг. 2. СЕМ зображення синтезованого матеріалу. Фіг. 3. Розрядна крива комірки з катодом на основі отриманої шпінелі. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 1. Катодний матеріал електрохімічного джерела струму з літієвим анодом та неводним розчином електроліту, який складається із синтезованої активної речовини, струмопровідної добавки та зв'язуючої речовини, який відрізняється тим, що як активну речовину взято магнійцинкову шпінель складу Mg0,5Zn0,5Fe2O4. 2. Катодний матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що активний матеріал синтезовано методом золь-гель з участю автогоріння. 2 UA 72226 U 3 UA 72226 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4