Композитные гибридные материалы на основе соединений переходных металлов и проводящих полимеров для литий-ионных аккумуляторов: роль связующих и проводящих свойств полимеров в характеристике материалов.

Изучен ряд новых по составу катодных материалов ЛИА на основе LiFePO₄ (LFP), LiFe₀,₄Mn₀,₆PO₄ (LFMP), LiMn₂O₄ (LMO), включающих проводящий полимер поли-3,4-этилендиокситиофен (PEDOT) в виде его дисперсии PEDOT:PSS в комбинации с дисперсией карбоксиметилцеллюлозы (СМС). На примере LFP и LFMP подробно изучено влияние природы связующего материала (латекс (LA-133), карбоксиметилцеллюлоза (СМС), дисперсия PEDOT:PSS) на основные функциональные свойства катодных материалов в составе ЛИА при варьировании соотношения полимерных добавок и углеродной сажи в составе материалов. Проведена оптимизация составов катодных материалов на основе перспективного проводящего связующего PEDOT:PSS/CMC. Методами циклической вольтамперометрии, гальваностатических заряд-разрядных кривых и спектроскопии электрохимического импеданса детально изучены электрохимические свойства электродов LFP/PEDOT:PSS/CMC, LFMP/PEDOT:PSS/CMC, MnO2/PEDOT:PSS/CMC и LMO/PEDOT:PSS/CMC. Получены данные об удельной емкости материала, ее зависимости от тока заряжения-разряда, циклическом ресурсе материалов. Установлено, что во всех изученных случаях введение модифицирующей добавки проводящего полимера приводит к заметному увеличению удельной емкости (на 15 - 20%) при одновременном увеличении содержания активного материала. Методом спектроскопии импеданса для наиболее перспективных образцов катодных материалов на основе LFP, LFMP, LMO систематически изучена кинетика заряд-разрядных процессов. Для разных составов и при разных потенциалах получены количественные данные о величинах сопротивления переносу заряда, эффективных коэффициентах диффузии ионов лития, выполнено их сравнение со стандартными по составу материалами с PVDF связующим. Показано, что для модифицированных полимерами катодных материалов на основе LFP и LFMP межфазное сопротивление переносу заряда уменьшается в 5 - 10 раз, а величины эффективных коэффициентов диффузии ионов лития увеличиваются более чем на порядок. Для материалов состава LMO/PEDOT:PSS/CMC также установлено заметное увеличение скорости заряд-разрядных процессов при их модификации полимерами, связанное с увеличением коэффициентов диффузии и снижением межфазного сопротивления переносу заряда. Показано, что покрытие полимерной оболочкой зерен LMO-материала повышает стабильность емкости при длительном заряд-разрядном циклировании. Методами рентгеновской дифракции для ряда репрезентативных образцов изучена структура катодных материалов LFP/PEDOT:PSS/CMC, LFMP/PEDOT:PSS/CMC, LMO/PEDOT:PSS/CMC. Показано, что орторомбическая структура оливинового типа исходных литий фосфатов металлов так же, как и структура марганцевой шпинели, сохраняется в составе композитного материала. Методом XPS-спектроскопии изучены формирование и состав слоев SEI на поверхности образцов материалов. СЭМ изображения образцов материалов позволили установить размеры активных частиц, их распределение и формирование полимерных оболочек на зернах активного материала (структуры типа «ядро - оболочка»). По результатам выполнения работ по проекту получены патент РФ №2584678 «Композитный катодный материал для литий-ионных батарей» и два патента на способ и устройство для получения композитных материалов на основе проводящего полимера и перезаряжаемых соединений переходных металлов. Программа исследований по проекту выполнена в полном объеме.