Научные основы создания полностью-твердофазных литиевых источников тока: модификация электрических свойств твердых электролитов и исследование их интерфейса с композиционными катодами

Проект направлен на исследование характеристик границы раздела твёрдый литийпроводящий электролит / твёрдый катодный материал для электрохимических устройств, работающих на реакции окисления/восстановления лития. В качестве твёрдого электролита выбран материал на основе Li7La3Zr2O12 с гранатоподобной структурой, а также проводники на основе LiGe2(PO4)3 со структурой NASICON, поскольку они имеют высокую литий-ионную проводимость при комнатной температуре и устойчивы в контакте с металлическим литием при комнатной температуре и повышенных 200 – 300 °С, при которых литий находится в расплавленном состоянии. Данные материалы в настоящее время рассматриваются как перспективные электролиты и сепараторы ведущими исследователями в мире в области литиевых и литий-ионных аккумуляторов. Тем не менее, на настоящий момент остаются нерешёнными проблемы обеспечения плотного контакта на границе двух твердых фаз электролит / электрод. В частности не изучены характеристики протекания электрохимической реакции на указанных границах в полностью твердофазном источнике тока. В мировой практике проблему контакта пытаются решить введением добавок жидкого электролита в область интерфейса, что не снимает ряда проблем, связанных с безопасностью и стабильностью работы устройства, характерных для традиционных литий-ионных аккумуляторов. Коллектив заявителей на протяжении нескольких лет разрабатывает альтернативный подход – создание плотного интерфейса за счёт использования стеклофазы. Выполнение работ по представленному проекту является логичным продолжением ранее сделанных наработок и ведёт к пониманию как технологических, так и физико-химических основ создания твёрдофазного литиевого и литий-ионного аккумулятора.В ходе работы предполагается улучшение функциональных свойств наиболее перспективных твердых электролитов на основе Li7La3Zr2O12 и LiGe2(PO4)3 путем допирования либо введения низкоплавкой добавки с оптимизацией технологии синтеза. Будут впервые получены растворным методом твердые электролиты на основе Li7La3Zr2O12, содопированные танталом и алюминием. Среди преимуществ данного метода стоит выделить снижение температуры и времени отжига керамического электролита, а также возможность получения керамики с более мелким размером частиц и увеличение литий-ионной проводимости электролитической мембраны. Получение электролитов на основе LiGe2(PO4)3 стеклокерамическим способом в последние годы становится всё более популярным по сравнению с традиционными методами синтеза, однако, в основном в литературе представлены исследования по частичному замещению ионов Ge4+ на трехвалентные ионы, в частности Al3+. Введение низкоплавкой добавки B2O3 позволит уплотнить керамические зерна в стеклокерамике, тем самым, способствуя повышению электрических свойств проводника. Ожидается, что ионы B3+ не будут встраиваются в структуру NASICON, а добавка распределится по границам зерен, что приведет к снижению зернограничного сопротивления электролитов. Полученные в ходе реализации проекта зависимости позволят расширить фундаментальные знания о природе проводимости в подобных системах. Будут получены композиционные катодные материалы на основе LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM) с добавлением легкоплавкой добавки и добавки твердого электролита для создания развитой поверхности раздела. Исследование межфазной границы электролита с электродом к наиболее перспективным в настоящее время литий-проводящим твердым электролитам позволят расширить научные основы для создания полностью-твердофазных источников тока нового поколения.