КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 18-73-00099

НазваниеМодификация интерфейса суперионного твердого электролита с высокоэнергоемким анодом для электрохимических систем ресурсосберегающей энергетики

РуководительПершина Светлана Викторовна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2018 - 06.2020

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словаПолностью твердофазный аккумулятор, литиевый источник тока, твердые электролиты, структура NASICON, стекло, кристаллизация стекла, стеклокерамика, Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, литий-ионная проводимость, стабильность по отношению к металлическому литию, смачиваемость твердого электролита

Код ГРНТИ31.15.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Электрохимические системы играют важную роль в хранении и преобразовании энергии, поэтому актуальны в условиях постоянно растущего энергопотребления. На их основе создают альтернативные источники тока, которые востребованы не только в портативной электронике, но и в крупномасштабных приложениях, таких как электротранспорт и авиационно-космическая техника. Такие системы требуют высокой емкости, которую имеют литиевые источники тока. Даже коммерческие литий-ионные аккумуляторы значительно уступают литиевым источникам тока по своим характеристикам. В традиционных литий-ионных аккумуляторах в качестве электролита используется органическая жидкость, что приводит к проблемам безопасности, недостаточному сроку службы, высокой стоимости и низкому уровню удельной мощности. На их фоне выделяются полностью твердофазные литиевые аккумуляторы, в которых все составляющие (анод, катод и электролит) представляют собой твердые тела. Они обладают более высокой плотностью энергии, что связано с использованием в качестве анода самого высокоэнергоемкого материала – металлического лития. Использование негорючего твердого электролита позволяет избежать проблем безопасности, увеличить срок службы аккумулятора. К ним предъявляется меньше требований к упаковке и схем контроля состояния заряда, что в конечном итоге приведет к снижению стоимости готовой продукции. В связи с этим интерес к полностью твердофазным литиевым аккумуляторам во всем мире возрастает. Основными требованиями, которые предъявляются к твердым электролитам, являются совместимость с электродными материалами, низкая пористость, низкая электронная проводимость и высокая ионная электропроводность при температурах близких к комнатной, т.к. катодные материалы не стабильны при высоких температурах. Среди известных твердых электролитов всем вышеперечисленным требованиям удовлетворяет стеклокерамика состава Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (сокращенно LAGP). Поскольку стеклокерамический электролит получают путем направленной кристаллизации стекла, то его пористость гораздо меньше по сравнению с керамикой аналогичного состава. Лимитирующим фактором для создания полностью твердофазного аккумулятора является повышенное межфазное сопротивление между электродными материалами и твердым электролитом. На сегодняшний день уже разработаны эффективные пути уменьшения сопротивления на границе твердого электролита с катодом, такие как напыление буферного слоя, введение низкоплавких добавок либо стекол, обволакивающих зерна катодного материала. У автора проекта имеется опыт по развитию межфазной поверхности твердого электролита с катодным материалом. Однако граница твердого электролита с литиевым анодом остается малоизученной. Стоит отметить, что литиевый металл даже после нагревания может оставлять микроскопические зазоры на границе раздела с твердым электролитом из-за плохой смачиваемости материала, что приводит к снижению характеристик самого аккумулятора. Решить проблему высокого интерфейсного сопротивления возможно путем напыления промежуточных металлов, в частности индия, который после нагрева с литиевой фольгой образует интеркалируемый индий-литиевый сплав. Рационально напылять более дешевые металлы, например алюминий. Развитие межфазного слоя позволит преодолеть трудности для успешного создания литиевого перезаряжаемого аккумулятора. В представленном проекте будет получено стекло на основе многокомпонентной системы Li2O–Al2O3–GeO2–P2O5 методом закаливания расплава. Будут изучены термические свойства данного стекла для выбора условий получения стеклокерамики состава Li1+xAlxGe2−x(PO4)3 (0 ≤ х ≤ 0,65) со структурой NASICON. Исследование фазового состава и электрических свойств твердых электролитов, полученных при разных условиях термообработки базового стекла, позволит выявить оптимальные температурные режимы для синтеза электролита с максимальной электропроводностью. Будут выявлены структурные особенности базового стекла и стеклокерамики современными спектроскопическими методами. Будут исследованы транспортные свойства стеклокерамики с разделением вкладов объемного и зернограничного сопротивлений методом импедансной спектроскопии. Впервые будет изучена смачиваемость металлического лития с поверхностью стеклокерамического электролита LAGP и их химическая совместимость. Будет напылен промежуточный слой алюминия на твердый электролит и изучено его влияние на электрохимические свойства симметричной ячейки с металлическим литием. Будут систематизированы и проанализированы результаты экспериментальных исследований и определены основные факторы, а также механизмы их влияния на литий-ионную проводимость и устойчивость высокопроводящего электролита к металлическому литию. На основании полученных результатов будут даны рекомендации по выбору составов материалов на основе многокомпонентного оксидного стекла с максимальной проводимостью, низкой пористостью, стабильностью фазовых и механических характеристик в области рабочих температур 25–300 °C. Это даст основания для разработки технологии электролитической составляющей и организации плотной межфазной границы для электрохимических устройств ресурсосберегающей энергетики.

Ожидаемые результаты
Вопросам альтернативной и распределенной энергетики на уровне регионов РФ и страны в целом уделяется большое значение, что связано с обеспечением населения и производства бесперебойной электроэнергией. Сложность передачи электроэнергии посредством линий электропередачи в горных и труднодоступных районах РФ, а также различного рода аварии и потери при передаче электроэнергии по проводам стимулируют развитие альтернативной энергетики – солнечных и ветряных электрогенераторов. Использование возобновляемой энергии от солнечных батарей и ветряков экономически целесообразно ввиду их неисчерпаемости. К тому же природные энергоресурсы (энергия солнца и ветра) в разы дешевле по сравнению с традиционными источниками энергии (уголь, кокс, нефть), однако из-за их цикличности необходимо хранить и аккумулировать энергию, что может быть реализовано с привлечением аккумуляторных батарей высокой емкости, каковыми являются литиевые и литий-ионные источники тока. Такие батареи также востребованы в электротранспорте, военной и космической технике. В последние годы наблюдается тенденция перехода от литий-ионных аккумуляторов с жидким электролитом к полностью твердофазным источникам тока, что позволяет избежать проблем, связанных с самовоспламенением и замыканием органических электролитов, а также увеличить срок службы аккумулятора. Над данной проблемой интенсивно работают многие ученые по всему миру из разных организаций и международных корпораций, такие как Toyota, Solid Energy, Infinite Power Solution, Tesla, Samsung, Bosh, Seeo, Sakti3, Front Edge Technology Inc., Quantum Scape, Bolloré. При создании полностью твердофазного источника тока возникает потребность в разработке высокопроводящего плотного твердого электролита, который был бы стабилен в контакте с металлическим литием, а также организации плотного контакта на границе твердого электролита с металлическим литием. Перспективным твердым электролитом является стеклокерамика Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3, т.к. имеет низкую пористость, высокую электропроводность при комнатной температуре и стабильность в контакте с металлическим литием. Однако для успешного применения в высокоэнергоемком источнике тока металлический литий должен хорошо смачивать данный твердый электролит. Таких исследований до сих пор не проводилось. В работе будут получены стеклокерамические электролиты Li1+xAlxGe2−x(PO4)3 (0 ≤ х ≤ 0,65) со структурой NASICON путем направленной кристаллизации стекла системы Li2O–Al2O3–GeO2–P2O5. Будут изучены их физико-химические и транспортные свойства, а также структура комплексом современных методов. Совокупность результатов по литий-ионной электропроводности с разделением вкладов объемной и зернограничной составляющих, термическим свойствам, микроструктуре, морфологии зерен, степени кристаллизации и локальной структуре стеклокерамических и исходных стеклообразных электролитов позволит понять механизм переноса ионов лития в подобных системах. Будет исследована смачиваемость и стабильность металлического лития при различных температурах (комнатной и 300 °C) с наиболее высокопроводящим составом стеклокерамики. С целью увеличения площади контактируемости твердого электролита с анодом на подложку электролита будет напылен промежуточный буферный слой из металлического алюминия. Развитие межфазного слоя позволит преодолеть трудности для успешного создания литиевого перезаряжаемого аккумулятора. Будет измерено сопротивление электрохимических ячеек, установлен вид поляризационных кривых и характер затруднений на границе раздела фаз анод/электролит в симметричных ячейках с литиевым анодом, а также в ячейках с промежуточным алюминиевым слоем. После электрохимический измерений будет изучена деградация межфазной границы и сделан вывод о перспективности исследований в данном направлении. Заявленные прикладные научные исследования и экспериментальные разработки весьма актуальны и востребованы, поскольку внесут существенный вклад в понимание процессов на границе высокоэнергоемкого анода с твердым электролитом для создания полностью твердофазного высокоемкого источника тока. Предложенный проект по актуальности поставленных проблем и запланированным результатам для их решения соответствует мировому уровню исследований.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---