«Разработка методов и технологических регламентов производства активных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе сложных фосфатов лития, железа и марганца» и «Разработка полимерных электролитов для твердотельных аккумуляторов»НИР

"Development of methods and technological regulations for the production of active cathode materials for lithium-ion batteries based on complex phosphates of lithium, iron and manganese" and "Development of polymer electrolytes for solid-state batteries"

Источник финансирования НИР

Хоздоговор, мобильные источники тока

Этапы НИР

# Сроки Название
1 14 ноября 2024 г.-16 декабря 2024 г. Отработка экспериментальных методик синтеза. Анализ возможностей увеличения выхода продукта с единицы объема гидротермального реактора
Результаты этапа: В ходе текущего этапа проекта работа была направлена на анализ фазового состава, морфологии и электрохимических свойств материалов, полученных в различных условиях гидротермального синтеза. Показано, что повышение концентрации исходных реагентов до 2М (158-253 г материала на 1 литр реактора при заполнении 50-80%, соответственно) положительно сказывается на электрохимических свойствах материалов. Кроме того, продемонстрирован позитивный эффект распылительной сушки на емкость и насыпную плотность получаемых образцов. Дальнейшее исследование будет направлено на изучение более высоких концентраций, а также анализа влияния фактора давления в реакторе на харакеристики материалов.
2 14 ноября 2024 г.-30 марта 2025 г. Отработка на пилотных установках лабораторных методик синтеза для масштабирования синтеза катодных материалов до 100~500 г/синтез.
Результаты этапа: в рамках работы разработана методика получения твердых полимерных электролитов методом электрополимеризации in-situ. Установлено, что кинетика полимеризации зависит от скорости развёртки потенциала, что в дальнейшем определяет эксплуатационные характеристики получаемого ТПЭ. Показано влияние концентрации литиевой соли на сопротивление ячейки с ТПЭ в составе. Установлено, что увеличение концентрации литиевой соли в 3 раза способствует снижению сопротивления ячейки более, чем на порядок. Для определённого оптимального состава ТПЭ были проведены первые циклы заряда/разряда при различных температурах. Установлено, что при 60оС ячейка с разработанным ТПЭ в составе демонстрирует более 90% от теоретической разрядной емкости. Это позволяет говорить о перспективности её практического применения в реальных твердотельных литий-ионных аккумуляторах.
3 14 ноября 2024 г.-16 декабря 2024 г. Отработка лабораторных методик формирования мембран и сборки лабораторных ячеек.
Результаты этапа: в рамках работы разработана методика получения твердых полимерных электролитов методом электрополимеризации in-situ. Установлено, что кинетика полимеризации зависит от скорости развёртки потенциала, что в дальнейшем определяет эксплуатационные характеристики получаемого ТПЭ. Показано влияние концентрации литиевой соли на сопротивление ячейки с ТПЭ в составе. Установлено, что увеличение концентрации литиевой соли в 3 раза способствует снижению сопротивления ячейки более, чем на порядок. Для определённого оптимального состава ТПЭ были проведены первые циклы заряда/разряда при различных температурах. Установлено, что при 60оС ячейка с разработанным ТПЭ в составе демонстрирует более 90% от теоретической разрядной емкости. Это позволяет говорить о перспективности её практического применения в реальных твердотельных литий-ионных аккумуляторах.
4 14 ноября 2024 г.-30 марта 2025 г. Отработка методик получения КПЭ в масштабах ~ 1 О см2. Оценка электрохимических характеристик полученных прототипов ТПЭ в лабораторных электрохимических ячейках с фосфатными катодными материалами.
Результаты этапа: Исследование влияния концентрации литиевой соли на ионную проводимость (для системы на основе PVDF) показало, что значительный рост (более, чем на порядок величины) ионной проводимости наблюдается при увеличении концентрации LiTFSI от 10 до 50 масс.%. При этом дальнейшее увеличение содержания соли в структуре ПЭ не приводит к значительному росту ионной проводимости. Также установлено, что введение литиевой соли снижает степень кристалличности полимерного электролита, улучшая ионный транспорт. Для установленного оптимального состава были исследованы электрохимические характеристики в ячейках с фосфатными катодными материалами в качестве катода и металлическим литием в качестве анода. Установлено, что собранная твердотельная ячейка может быть эффективно использована в диапазоне плотностей тока от С/10 до С/5, что обеспечивает сохранение более 90 % от теоретической емкости, нормированной на массу катодного материала. Дальнейшее увеличение плотности тока закономерно приводит к снижению разрядной емкости. При плотности тока 2С разрядная емкость составляет ~125 мАч/г, что также является высоким значением для твердотельных устройств накопления энергии. Также исследована возможность применения сополимера PVDF/HFP в качестве ПЭ в ячейках с фосфатными катодными материалами. В ходе работы установлено, что использование чистого сополимера с высоким содержанием соли нецелесообразно ввиду формирования жидкой фазы растворитель/соль на поверхности ПЭ, что приводит к нарушению гомогенности и, как следствие, к нестабильности системы. Использование неорганической добавки - AlOOH позволяет нивелировать описанную проблему. Указанный состав КПЭ (PVDF/HFP/AlOOH) был исследован в твердотельной ячейке с литиевым анодом. Установлено, что при плотностях тока C/10 и C/5 система также демонстрирует более 90% теоретической разрядной емкости (нормированной на массу активного материала катода). Однако дальнейшее увеличение плотности тока до С/2 приводит к существенному снижению удельной разрядной емкости – до ~60 мАч/г. Отработаны методики формирования мембран полимерных электролитов площадью от ~10 см2 до ~75см2. Полученные образцы гомогенны по всей площади, обладают толщиной около 25-30 мкм, сопоставимой с толщиной коммерческих сепараторов, применяемых в системах с жидким электролитом. Таким образом, в ходе исследовательской работы сформулированы методики получения ПЭ и КПЭ для применения в твердотельных литий-ионных аккумуляторах. Ячейки с разработанными ПЭ и КПЭ в составе демонстрируют высокую разрядную емкость при низких плотностях тока (при комнатной температуре).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".