Получение и исследование свойств электрохимически активных композитных материалов на основе интеркалируемых литием силикатов железа, марганца, кобальта и имеющих высокую электронную проводимость карбосилицидов переходных металлов

Проект направлен на решение важной междисциплинарной проблемы современных электрохимии твердого тела и электрохимического материаловедения – разработку новых высокоемких и безопасных материалов катода литий-ионного аккумулятора в форме электроактивных композитов, а также всестороннее исследование строения и функциональных свойств таких материалов. В качестве основных компонентов композитов будут выбраны аккумулирующие литий силикаты переходных металлов (Fe, Mn, Co), а также формирующие покрытие частиц интеркаляционного компонента и эффективную электронопроводящую среду (матрицу композита) карбосилициды переходных металлов. Центральной задачей проекта является кардинальное улучшение свойств накопления и переноса ионов лития в структуре литий-аккумулирующих компонентов композитных электродных материалов путем замены традиционно применяемых в качестве материала матрицы композитов углеграфитовых материалов различного состава и структуры не уступающими им по электронопроводящим свойствам, но отличающимися более высокими показателями термической и химической стабильности, а также более высокой плотностью карбосилицидами переходных металлов. Это позволит повысить уровень безопасности композитных катодных материалов в составе литий-ионного аккумулятора, а также даст значительный прирост удельных объемных показателей запасенной энергии и мощности, которые, зачастую, имеют большее практическое значение, чем весовые показатели этих характеристик. Разрабатываемые электродные материалы будут представлять значительный интерес для фундаментальной электрохимии твердого тела. С использованием методов термического анализа – дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрии (ТГА) со спектроскопическим анализом отходящих газообразных продуктов будет оценена реакционная способность компонентов композитных материалов по отношению друг к другу на различных стадиях формирования композитов, и, как результат, взаимная совместимость компонентов в различных условиях. Методы лазерно-дифракционного гранулометрического анализа, рентгенофазового анализа (РФА), электронной микроскопии в сканирующем (СЭМ) и просвечивающем (ПЭМ) вариантах в комплексе с энергодисперсионным рентгеноспектральным микроанализом (РСМА) позволят охарактеризовать фазовый состав, структуру и морфологию материалов субстратов и поверхностных модификаторов. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) позволит определить изменение элементного состава по глубине частиц материала. Для определения структурных особенностей низкоупорядоченных компонентов (например, выявления содержания фрагментов графитовой структуры в аморфных углеродных материалах) будут применяться различные варианты ИК-спектроскопии (Raman, FTIR). Электрохимические характеристики материалов будут исследованы комплексом современных электроаналитических методов. Метод гальваностатического заряда-разряда (ГЗР) позволит провести испытания электродов в условиях, приближенных к таковым для реальных ЛИА. Метод циклической вольтамперометрии (ЦВА) позволит качественно охарактеризовать токообразующий процесс: определить его стадийность и обратимость, вклад побочных процессов. Также ЦВА позволит провести оценку скорости ионного транспорта в интеркаляционном материале. Методы гальвано- и потенциостатического включения в варианте прерывистого титрования (GITT и PITT, соответственно), метод спектроскопии электродного импеданса (СЭИ) позволят определить характеристики ионного транспорта в зависимости от содержания лития в интеркаляционном электроде. Будут определены вклады различных составляющих в общий токообразующий процесс, зависимости параметров ионного транспорта, прежде всего коэффициента диффузии (D) лития от концентрации и энергетического состояния лития в структуре, структурных параметров интеркаляционного соединения, типа и содержания модификатора, способа предобработки материала и т.д. Будут выявлены закономерности взаимосвязи структурных параметров и функциональных характеристик материалов.