Создание и совершенствование высокоемких и имеющих низкую стоимость силикатных материалов Li₂TMSiO₄ (TM = переходные металлы) для технологии перезаряжаемых литий-ионных батарей будущего

Широчайшее распространение различных устройств, требующих автономного энергообеспечения, диктует необходимость интенсивного поиска новых и совершенствования существующих электрохимических систем, которые могут быть использованы в качестве основы перезаряжаемого источника тока с высокими показателями удельной энергии и мощности, длительным ресурсом и широким диапазоном условий эксплуатации. Важными критериями отбора таких систем являются аспекты безопасности устройств на их основе при работе, а также возможности безопасной утилизации компонентов этих устройств для окружающей среды. Сопоставимые по численности работы, которые можно найти в современной литературе, посвящены обоим классам электродных материалов - анодным и катодным. Вместе с тем, именно катодные материалы отличаются значительным разнообразием соединений, составляющих их основу. Среди них есть комплексные оксиды, фосфаты, бораты, относящиеся к различным структурным типам и обладающие различными структурными и функциональными особенностями. Поскольку в основе всех этих соединений лежат переходные металлы, способные образовывать несколько окисленных форм, лишь некоторые из этих классов материалов могут считаться безопасными для окружающей среды. Это зависит от токсичности самого переходного металла и способности соединений выделять его в окружающую среду. К классам наиболее стабильных соединений, способных обратимо интеркалировать литий и содержащих переходный металл, следует отнести фосфаты и силикаты. Работы по исследованию характеристик электродных материалов на основе комплексных фосфатов лития и переходных металлов представлены в литературе довольно широко. Другая группа соединений - ортосиликатов лития и переходных металлов - представлена в литературе в гораздо меньшей степени. Этот класс соединений обладает вдвое более высоким теоретическим уровнем удельной емкости в сравнении с фосфатами, поскольку анионная группировка SiO₄ имеет больший по значению отрицательный заряд (-4 против -3 у фосфатов), что позволяет появиться в соединении дополнительному иону Li+ при близких к фосфатам объемным и весовым показателям структуры. Основным же недостатком этого класса соединений является еще более низкая, чем у фосфатов электронная проводимость: для ортосиликатов лития-марганца и лития-железа она составляет 10⁻¹⁶ и 10⁻¹⁴ Ом⁻¹ см⁻¹ соответственно. Практикуемым способом преодоления проблемы низкой электронной проводимости является создание эффективной электронпроводящей среды в межчастичном пространстве. Материалом такой среды, как и в случае фосфатов, могут являться углеграфитовые материалы. В ходе выполнения настоящего проекта были разработаны и оптимизированы подходы и способы получения композитных электродных материалов на основе Li₂FeSiO₄ и Li₂MnSiO₄ с использованием недорогих и широко распространенных Li-, Si-, Fe- и Mn-содержащих исходных веществ. Выполнен подбор прекурсоров с оптимальной реакционной способностью для проведения реакции синтеза с высоким содержанием целевого соединения в продуктах синтеза. С помощью механохимической обработки проводилась дополнительная стимуляция реакций получения целевых продуктов. Добавляемый в реакционную смесь прекурсор структурообразующей и электропроводящей матрицы композита позволял управлять гранулометрическим составом конечного продукта. Установлены особенности электрохимического поведения материала: значительный гистерезис по потенциалу анодного и катодного процессов, обусловленный кинетически заторможенными переходами между различными состояниями литирования. Определены зависимости показателей емкости и ее стабильности при циклировании от токовой нагрузки и содержания электропроводного углеродного компонента.