Физико-химические основы активации электродов, работающих по принципу электрохимического внедрения для литиевого аккумулятора - автореферат

На правах рукописи

ОЛЬШАНСКАЯ Любовь Николаевна

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКТИВАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ,

РАБОТАЮЩИХ ПО ПРИНЦИПУ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО

ВНЕДРЕНИЯ ДЛЯ ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА

Электрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Саратов - 2002

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: В последнее десятилетие литиевые аккумуляторы (ЛА) становятся повседневной реальностью и уверенно теснят на рынке традиционные химические источники тока (ХИТ) и первичные литиевые элементы. В первых образцах литиевых аккумуляторов, по аналогии с первичными ЛИТ, пробовали использовать в качестве отрицательного электрода металлический литий. Однако образование поверхностной пленки (ПП) при контакте с окружающей средой приводит к дендритообразованию при катодном осаждении лития и инкапсулированию, что снижает коэффициент использования зарядной ёмкости, срок службы электрода. Поэтому во всём мире ведется поиск альтернативных металлическому литию материалов. Вначале наиболее эффективным оказалось использование сплавов лития с более электроположительными металлами (серебро, алюминий, золото, кадмий, магний, цинк, кремний, сплавы Вуда и другие). Наиболее интересны: результаты были получены при использовании сплавов лития с алюминием. Однако низкая морфологическая стабильность этих соединений в процессе циклирования не устраивала потребителей. Кроме того, для них была найдена замена в виде соединений лития с углеродсодержащими материалами (УГМ), предопределивших постановку работ по созданию нового класса литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). ЛИА оказались более надежными в эксплуатации, показали удовлетворительные удельные и разрядные характеристики: емкость -250...360 Вт-ч/л, ресурс - 500...1000 циклов заряд-разряд. Но эти параметры остаются значительно ниже характеристик с электродом. Поэтому поиски энергоемких систем с высокой эффективностью циклирования являются актуальной проблемой и в настоящее время. Перспективным направлением может стать активация электродов ЛА посредством механических, физико-химических и электрохимических воздействий.

Один из наиболее эффективных путей решения рассматриваемой проблемы связан с появлением нового направления в теории и технологии литиевых источников тока: разработка электродов, работающих по принципу электрохимического внедрения (ЭХВ). Использование метода ЭХВ позволяет реализовать высокую циклируемость электродов литиевых ХИТ. Обратимая работа электродов обеспечивается благодаря принципиально новому подходу к подбору активных материалов_. Как положительный (оксиды, ССГ), так и отрицательный (LiAl, LiC₆) электроды являются своеобразными «резервуарами» для частиц лития, участвующих в переносе зарядов между электродами. При разряде ионы Li¹ покидают структуру LiAl (LiC₆) и внедряются в структуру положительного электрода (в каналы, туннели, между слоями и т.д.) с образованием новых слоистых соединений Li_xMeA_y (А: О, S, Se...) за счет изменения валентности потенциалопредсляющего переходного металла (Me: Cr, V, Mn, Nb...). При заряде ионы лития покидают решетку Li_xMeA_y и восстанавливаются по механизму ЭХВ на LiAl (LiC₆) электроде.

Способ получения электродных материалов по методу ЭХВ известен достаточно давно. У его истоков стоят известные российские ученые Б.Н. Кабанов, И.И. Астахов, И.Г. Киселева, С.С. Попова, а также зарубежные исследователи - R.A. Huggins, J.O. Besenhard, A.N. Dey, E.J. Frezer, B.M.L. Rao и другие.

Внедрение - это одновременно происходящие разряд иона внедряющегося металла и его химическое взаимодействие с твердым металлом матрицы. При этом достигается возможность ослабления нежелательных и усиления полезных свойств материалов, создания новых, ранее неизвестных, неожиданных свойств, которыми исходные материалы не обладали. Можно. например, получать сверхпроводящие или ферромагнитные материалы из металлов, практически не имеющих таких свойств, можно усилить механическую прочность, пластичность и другие характеристики синтезируемых материалов.

Цель данной диссертационной работы - установление основные закономерностей активации LiAl, Li_xC₆ и С₈С₃ электродов путем механических, физико-химических и электрохимических воздействий, а также изучние обратимой работа модифицированных электродов, работающих по "принципу электрохимического внедрения, в макетах литиевых аккумуляторов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось:

-провести комплексное систематическое исследование влияния различных внешних (величина потенциала и длительность катодной поляризации, сила тока, температура, влияние ультразвука, магнитного поля, механического и внутренних факторов (состав и концентрация электролита, природа растворителя, материал углеродсодержащей основы при формировании Li_xC₆ электродов, природа легирующего металла в случае электродов на основе электрохимических сплавов LiAl(Me), состав и концентрация модифицирующего оксида в составе активной массы СаСгО электродов и т.д.) на механическую и электрохимическую стабильность характеристик формируемых электродов, их циклируемость; сохранность заряда;

-определить закономерности изменения количественных параметров, состава и структуры образующихся фаз в системах LiAl(Me), Li_xCc Li_xC₈Cr0₃ в зависимости от внешних и внутренних факторов;

-установить взаимосвязь и взаимозависимость между электрохимическими и термодинамическими характеристиками и структурными превращениями в процессах интеркаляции - деинтеркаляции лития в исследуемых электродах.

Новые научные результаты, которые автор выносит на защиту:

Кинетические, термодинамические закономерности и механизм процессов интеркалирования лития в структуру С₈Сг0₃ электрода при его активации под воздействием различных внешних и внутренних факторов.

Теоретическое и экспериментальное обоснование влияния природы третьего компонента, состава раствора и природы апротонного растворителя на кинетические закономерности и механизм фазообразования при электрохимическом внедрении лития в алюминий и в Al(Me) (Me: Pb, Cd, Zn, Cr, Mn, Co) и на эффективность циклирования лития.

Влияние различных физико-химических и электрохимических факторов на изменение поверхностных и объемных свойств углеграфитовых материалов состав и концентрацию интеркалятов Li_xC₆, а также на кинетические и термодинамические характеристики процесса образования и анодного растворения интеркалятов лития.

Технологические рекомендации по изготовлению и эксплуатации C₈Cr0₃, LiAl(Me), Li_xC₆ электродов регенерации и утилизации, отработанных С₈Сг0₃ электродов. Результаты испытаний опытных образцов и макетов литиевых аккумуляторов прессованной и рулонной конструкции на основе систем: LiAl/C₈Cr0₃, Li_xC₆/C₈Cr0₃ с органическим электролитом 1М ПК+ДМЭ (1:1) без и при модифицировании электродов .

5.Экспериментальное и теоретическое обоснование применимости уравнения Пейкерта, Г-т = описывающего функциональную зависимость емкости аккумулятора от величины разрядного тока к литиевым перезаряжаемым ХИТ.

Практическая значимость работы. Показана возможность направленного воздействия на кинетику катодного внедрения лития и его анодного растворения, на состав и структуру образующихся фаз в матрицах исследуемых материалов (А1, УГМ, С₈СЮ₃) путем их физико-химической активации: модифицирование третьим компонентом; предварительная обработка активных материалов механическими (перетирание, измельчение) или физическими методами.(ультразвук, магнитное поле); подбор состава электролита, режимов формирования электрохимически активных фаз.

Предложенные новые электрохимические системы с неводным органическим электролитом, характеризуются высокой энергоемкостью и циклируемостью. Разработаны технологические рекомендации по изготовлению положительных и отрицательных электродов и проведены их испытания в макетах и опытных образцах литиевых аккумуляторов прессованной и рулонной конструкций на основе систем:

LiAI, LiAl(Me) / LiClO., в ПК, ПК + ДМЭ (1:1) / С₈СЮ₃ Lt_xe₆ / LiCIC-4 в ПК + ДМЭ (1:1)/ С₈СЮ₃. Проведено феноменологическое моделирование разрядных процессов и проанализированы аналитические зависимости, описывающие связь емкости ЛА с величиной тока разряда. Показана возможность применимости уравнения Пейкерта 1-г=К к исследуемым литиевым системам.

Использованный в работе метод электрохимического (катодного) внедрения (ЭХВ) позволяет осуществлять направленное модифицирование поверхностных свойств электродов: повышение механической прочности, пластичности, устойчивости при циклировании, благодаря формированию химически активных соединений, изменяющих свойства поверхности электрода и способствующих сохранению неизменными его объемных свойств.

Предложены эффективные способы регенерации и утилизации отработанных CgCr0₃ электродов и продуктов их переработки.

Разработанные физико-химические способы активации электродов ЛА, работающих по принципу электрохимического внедрения, и установленные кинетические и термодинамические закономерности процессов интеркаляции - деинтеркаляции лития позволяют расширить теоретические представления о механизме работы аккумулятора и являются новым вкладом в технологию изготовления электродов литиевых ХИТ с улучшенными экс-плуатационными характеристиками. Основные положения диссертационной работы включены в лекционные курсы «Современные проблемы и методы исследования электрохимических систем», учебное пособие «Литиевые источники тока», методические указания по курсам «Основы электрохимической технологии» и «Прикладная электрохимия».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 15 Международных, 16 Всесоюзных или Всероссийских и 11 региональных (зональных, межотраслевых) научных симпозиумах, конференциях, совещаниях: Международные (Всесоюзные) совещания по литиевым источникам тока (Новочеркасск, 1990; Саратов, 1992; Екатеринбург, 1994; Новочеркасск, 2000), XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998), Международные конференции «Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах» (Москва - Черноголовка, 1996; Санкт-Петербург, 1998; Саратов, 2002), «Intern. Congress Chem. and Process Engineering» (CHISA-90, CHISA-96, Praha), Международные симпозиумы «Приоритетные направле-ния в развитии химических источников тока» (Иваново - Плёс, 1998, 2002), Международные конференции «Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики» (Саратов, 1999, 2002), I конференция Международной ассоциации «Interbat» по литиевым аккумуляторам (Киев, 1997), 2-й Всесоюзный симпозиум «Электрохимия, коррозия металлов в, водно-органических средах» (Ростов-на-Дону, 1984), Всероссийские конференции «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 1997, 1999, 2001), VII Международный Фрумкинский симпозиум «Фундаментальная электрохимия и электрохимическая технология» (Москва, 2000), Intern. Conf. and Exhibition «Electrochemistry and Surface technology» {Moskow, 2001), Международная конференция «КОМПОЗИТ-98» (Саратов, 1998), Всероссийская конференция «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2000), Всероссийские конференции «Современные электрохимические технологии» (Саратов, 1996, 2002), Всероссийская конференция «Электрохимия мембран и процессы в тонких ионопроводящих пленках на электродах» (Саратов, 1999) и другие.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 103 работы, включая 19 статей в центральной печати и 11 статей в реферируемых сборника, 5 авторских свидетельств, патент и заявку на изобретение. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Личный вклад соискателя. В диссертации обобщены результаты исследований за 1978...2002 гг., в которых автор принимал непосредственное участие. Все основополагающие теоретические результаты, представленные в диссертации, и основная часть экспериментальных результатов получен автором лично. Ему также принадлежит инициатива постановки большинства экспериментальных исследований, решающая роль в обработке и интерпретации полученных данных. Результаты, полученные в соавторстве с другими исследователями, включены в диссертацию в той части, где автору принадлежит ведущая роль. Автор искренне признателен своему учителю и научному консультанту С.С. Поповой, под чьим руководством и при чьем непосредственном участии была выполнена значительная часть исследований. Плодотворным было сотрудничество и обсуждение результатов с Б.Н Кабановым, И.Г. Киселевой, Л.А. Алексеевой, И.А. Кедринским. В работе использованы результаты кандидатских диссертаций С.М. Закировой и Т.В. Поминовои, выполненных при научном консультировании автора, а также результаты, полученные и опубликованные совместно с аспирантами Е.Н.Астафьевой и Е.М. Териной, которым автор выражает признательность.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из оглавления, введения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 63 страницах текста и включает 125 рисунков, 56 таблиц. Список, использованной литературы содержит 465 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Литературный обзор

В главе проанализированы литературные данные по материалам отрицательных и положительных электродов для литиевых аккумуляторов с апротонными органическими электролитами.

Металлический литий, несомненно, является самым перспективным материалом для отрицательного электрода литиевых источников тока. Высокий отрицательный потенциал (Е и -2,9 Б) в неводных органических электролитах), низкий удельный и эквивалентный вес дают выигрыш в теоретической (W_T=600...6000 Вт-ч/кг) и практической удельной энергии (W_np=300...400 Вт-ч/кг) при использовании ряда систем с литиевым электродом, в ~ 3 раза превышающих аналогичные характеристики традиционных ХИТ. Основной проблемой использования лития в перезаряжаемых ЛИТ является неудовлетворительная циклируемость. Эффективным направлением решения этой проблемы на современном этапе является использование вместо металлического лития его сплавов (интерметаллидов) или соединений внедрения с графитом (интеркалятов).

Из интерметаллидов в наибольшей степени в качестве активного вещества отрицательного электрода исследованы сплавы лития с алюминием LiAl или LiAl(Me), где Me - модифицирующий металл, основная роль которого - обеспечение механических и прочностных характеристик литий-алюминиевого электрода в процессе циклирования, а также увеличения количества лития, внедряемого в А1-матрицу с целью повышения емкостных и разрядных характеристик электрода. Проанализированы литературные данные о твердых растворах и интерметаллических соединениях и системе LiAl, о природе дефектов в сплавах алюминия с металлами переходного ряда с позиций электронного строения металлов, их физико-химических и механических свойств, коррозионной стойкости, электрохимической активности; рассмотрен механизм диффузии легирующих частиц в объеме сплава и на поверхности. Рассмотрены особенности процесса катодного внедрения и его влияния на структурно-механические свойства модифицированных LiAl сплавов.

Углеродсодержащие материалы (УГМ) и их соединения внедрения с металлами широко используются в качестве отрицательных электродов ЛИА. Ведутся интенсивные работы по получению новых классов и групп веществ, позволяющих повысить эффективность отрицательного электрода. Уделено внимание особенностям структуры, физико-химическим свойствам УГМ, роли электронных переходов при внедрении компонентов раствора в межслоевые пространства кристаллической решетки УГМ. Отмечено, что внедрение щелочных металлов сопровождается раздвижением слоев кристаллической решетки УГМ без ее разрушения, при этом связь Ме- металлическая, чем ионная: валентные электроны равномерно распределяются между атомами углерода и внедряющегося металла. Внедрение щелочных металлов сопровождается раздвижением слоев кристаллической решетки УГМ без ее разрушения. Рассмотрены имеющиеся в литературе сведения об оптимизации свойств УГМ, состава электролита с целью повышения их устойчивости в присутствии графитсодержащих материалов и управления свойствами пассивирующего слоя.

Проведенный анализ показал, что в качестве положительных катодных интеркалируемых материалов в литиевых аккумуляторах с неводными органическими электролитами широко применяются как индивидуальные, так и композитные соединения переходных металлов, имеющие туннельную. канальную, или смешанную структуру. В такие материалы внедрение лития протекает обратимо я с большой скоростью. Рассмотрены способы активации катодов ЛА путем введения модифицирующих добавок в активную массу и предварительной обработки компонентов активной массы механическими и физико-химическими методами, что обеспечивает увеличение кулоновской эффективности катодной массы, повышение среднего напряжения разряда, отдаваемой емкости, и ведет к увеличению реальной удельной энергии ЛА. Процесс интеркаляции-деинтеркаляции лития сопровождается Изменением электрических (ток, сопротивление, потенциал), структурных (параметры решетки, расстояние между слоями), валентность переходного ме, энергия Гиббса, энтальпия, энтропия и других характеристик катодного материала. Все эти параметры взаимосвязаны, взаимозависимы.

2. Методика эксперимента

Объектами исследования в работе служили: А] (марки А 99,97); А1, модифицированный по методу ЭХВ металлами переходного ряда (Me: Pb, Zri, Cd, Со, Mn, Cr); соединения внедрения (интеркаляты) лития с углеродсодержащими материалами (УГМ: карбонизованное волокно, карбонизованная ткань, спектральный графит, прессованный графитовый электрод); интеркалированные литием соединения внедрения оксида хрома (VI) в графит типа С₈Сг0₃; С₈Сг0₃, модифицированный графитизированной сажей и оксидами (V₂0₅, Mn0₂, W0₃, S0₃); а также макеты систем LiAl/C₈Cr0₃; 1лА1(Ме)/е₈СгОз; Li_xC₆/CsCr0₃ с неводным органическим электролитом 1М LiC10₄ в ПК+ДМЭ (1:1 об.) и опытные образцы аккумуляторов.

Описаны методики синтеза С₈СЮ₃, получения LiAl и Li_xC₆ электродов по методу ЭХВ лития из растворов его солей, методики очистки неводных органических растворителей (пропиленкарбонат ПК, ацетонитрил АН. диметилформамид ДМФ), очистки и осушки солей (LiC10₄, LiSCN, LiHS0₄. Mg(C10₄)₂, KSCN),приготовления электролитов, характеристики используемых, готовых электролитов. Содержание воды, контролируемое по методу К.Фишера, в растворителях не превышало (1,5...2,5)-10" %, в растворах электролитов - (3...5)Т0"³%. Качество электродных материалов и растворов отвечало требованиям, предъявляемым к компонентам литиевых ХИТ. Описаны используемые в работе герметичные трехэлектродные ячейки для проведения электрохимических измерений и ячейки для испытаний макетов аккумуляторов.

Разработаны экологически и экономически оправданные способы регенерации и утилизации отработанных С₈СЮ₃ электродов и подобраны оптимальные режимы этих процессов. Регенерация катодов может быть осуществлена путем анодной обработки С₈СЮ₃ электродов в водных растворах хромовой кислоты Н₂Сг0₄ концентрации 1,5...2,0 моль/л при плотностях анодного тока 0,25.. .0,50 мА/см".

С₈СЮ₃ электроды, не подлежащие регенерации, можно утилизировать, используя технологию восстановительного отжига при температурах 350...400°С с последующим выщелачиванием образующегося оксида хрома (III). При этом в качестве восстановителя в катодной массе отработанных ЛА могут служить графит и органические компоненты. Условно этот процесс можно представить реакциями:

t°c

4Сг0₃ (остатки)"+ЗС--> 2Сг₂0₃ + ЗС0₂ (12)

2Сг₂0₃ + С -> 4СЮ + С0₂ (13)

Последующий процесс выщелачивания с получением, например, сернокислого хрома протекает в соответствии с уравнением:

CrO + H₂S0₄->CrS0₄+H₂0 (14)

Продукты реакции могут быть вновь использованы для изготовления катодов. Остаток после выщелачивания, содержащий в основном сажеграфитовую композицию с ингредиентами фторопластового связующего, может применяться как добавка к битумно-асфальтовым композициям.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Комплексное исследование процессов интеркаляции - деинтеркаляции ионов лития в активируемый С₈СЮ₃ электрод позволило установить влияние изменений поверхностных и объемных свойств электрода, происшедших в результате физико-химических воздействий на кинетику и механизм реакции. Модифицирование С₈Сг0₃ электрода путем химического, физического или электрохимического воздействия улучшает условия для прохождения электрического тока, подвода электронов и катионов лития в зону реакции и таким образом способствует увеличению скорости внедрения и степени, катионов лития в соединении Li,C₈Cr0₃, повышению разрядных характеристик и эффективности при циклировании.

2. Проведенные систематические измерения величины равновесного потенциала Li_xC₈Cr0₃ в зависимости от степени интеркаляции х в диапазоне температур 283...333 К позволили установить взаимосвязь и взаимозависимость кинетических, термодинамических характеристик (ТДХ) и структурных превращений, сопровождающих процесс внедрения катионов лития в структуру С₈СЮ₃ и размещения их на вакантных местах с различными уровнями энергий. На начальном этапе внедрения, когда количество ионов U невелико (с<0,4 - С₈СЮ₃, 0<л<0,8 - С₈СЮ₃ (40%С)) и они окружены свободными вакансиями, что энергетически выгодно, процесс внедрения без затруднений, структура соединения практически не меняется, изменения ТДХ (Е_р, AG, АН, AS) - минимальны. По мере роста концентрации ионов лития в твердой фазе Li_xC₈Cr0₃, становится вероятным заселение соседних вакансий внедряющимися частицами Li⁺. Это приводит к усилению деформационных взаимодействий, изменению структуры исходного соединения (расширение слоев графита), что незамедлительно отражается на изменении ТДХ. Величины энтропии и энтальпии системы увеличиваются, возрастают кинетические затруднения до тех пор, пока процесс внедрения не стабилизируется на новом, более высоком энергетическом уровне. Это обусловлено упорядочением ионов лития на двух типах вакантных мест с различными энергетическими уровнями, или переходом при росте х от заполнения ионами Li вакансий с меньшей энергией, к преимущественному заполнению вакансий с большей энергией. Появление максимумов на AS-x зависимости (С₈Сг0₃) и -х = 2.- С₈Сг0₃ (40%С)) может быть связано с процессами разупорядочения при заполнении ионами лития всех свободных вакантных мест в структуре соединения.

3. Предложено теоретическое обоснование и экспериментальное доказательство зависимости активирующего эффекта третьего компонента (легирующие металлы Pb, Cd, Zn, Mn, Cr, Co) от его природы. Активирующий эффект проявляется в повышении кинетических характеристик, улучшении механических и прочностных свойств LiAl(Me), увеличении эффективности и длительности циклирования и количества отдаваемой электродами емкости. Показано, что наблюдаемый эффект обусловлен влиянием размера атомов легирующих металлов, их электронного строения и типа возникающих дефектов на изменение структуры и свойств исходной матрицы алюминия и посредством этого, на кинетику и механизм внедрения лития в сплавы А1(Ме). При модифицировании алюминия металлами с большим, чем у Аl. атомным радиусом (Pb, Cd) происходит искажение кристаллической решетки А1 и образование дополнительных вакансий и дефектов структуры, зон с повышенной скоростью диффузии, что облегчает процесс образования ИМС P-LiAl. Для этих металлов, а также для Zn наряду с p-LiAl возможно образо-вание ИМС Li_x(Me) (Zn, Cd, Pb). Вероятность этого обусловлена донорными свойствами атомов металлов, имеющих «замкнутые электронные оболочки», и способностью «отталкивать лишний электрон», который участвует в образовании химических связей с внедряющимся литием. Для атомов этих металлов высока вероятность- размещения электронов на экстровалентных (возбужденных) вакансиях с низкими энергетическими уровнями. Металлы с меньшими, чем у А1, атомными размерами (Mn, Сг, Со) при внедрении зани-мают вакантные места, затрудняя последующее внедрение лития; имея «открытые» (незаконченные в своем строении оболочки), они выполняют роль акцепторов электронов. Вследствие того, что экстравалентные вакансии этих металлов имеют более высокие значения энергий, образование соединений LL(Me) (Мп, Сг, Со) маловероятно. Тем не менее, введение таких металлов в состав алюминиевой матрицы, как и в случае Cd, Pb, Zrf, способствует повышению механических и прочностных свойств LiAl(Me) электрода при циклировании.

4. Установлено, что увеличение скорости образования твердого раствора LiAI, скоростей роста и количества зародышей ИМС LiAl в ряду ДМФ«ПК<ПК+ДМЭ<АН обусловлено особенностями структуры и физико-химических свойств растворителей, различием во взаимодействии с компонентами раствора и материалами электродов. Хемосорбционное взаимодействие молекул растворителя с поверхностью алюминия приводит к изменению структуры двойного электрического слоя, энергетического состояния, потока заряда на границе металл-электролит, что влияет на скорость образования вакантных мест и возникновение дислокаций в поверхностной кристаллической решетке алюминия и соответственно на процессы внедрения лития в А1 основу. С другой стороны, особенности строения и физико-химические свойства растворителей (наличие трехцентровой связи =N-C-0 в молекуле ДМФ, рост донорного числа, сольватирующей способности Li - S и размера сольватокомплексов в ряду ДМФ» ПК>АН) влияют на активность лития в растворе электролита у поверхности электрода, которая, в соответствии с теорией ЭХВ, определяет активность и количество внедряющегося металла (лития) в структуре ИМС. Процессы десольватации лития, химически связывающегося с металлом катода (А1, А1(Ме)), и диффузия его в глубь кристаллической решетки при формировании твердого раствора и (или) интерметаллида LiAl протекают более эффективно из растворов на основе ацетонитрила и смеси ПК+ДМЭ.

5. Показано, что независимо от природы апротонного растворителя, природы третьего компонента и других факторов, лимитирующей стадией процесса катодного внедрения, как на стадий образования твердого раствора (ТР), так и при формировании ИМС LiAl, является диффузия лития в решетке А1 и сплавов А1(Ме). На это указывает то, что величины энергии активации процессов близки и возрастают от 20;..23 (ТР) до 27...28 кДж/моль(ИМС).

6. Согласно совокупности результатов исследования, па электродах из различных УГМ с упорядоченной и разупорядоченной структурами независимо от воздействия различные внешних и внутренних факторов, в матрицах исследуемых материалов протекают две реакции:

- быстрое образование слоистых соединений графита анионного типа: (Li.CfjAy -1 стадия) в поверхностном слое, проводящем по ионам лития; на этой стадии при длительной поляризации возможно катодное восстановление растворителя и усиление пассивирующих свойств поверхности.

- последующее образование (1л_хСб - II стадия) в более глубинных слоях материала электрода, куда литий проникает через ПС по межслоевым пространствам и заполняет вакантные места.

Установлено, что формирующийся ПС (1л_хСбА_у) определяет кинетику и механизм последующего образования Li_xC_fl. Показано, что состав, структуру и свойства ПС можно направленно изменять при варьировании величины потенциала и времени катодной поляризации; изменении анионного состава электролита, природы растворителя; введении модифицирующих добавок в состав AM электрода; путем предварительной обработки компонентов активной массы в магнитном поле, с помощью ультразвука. В результате ускоряется процесс образования фазы Li и формируются активные, высокоэнергоемкие электроды с низкой величиной необратимой емкости. Процесс внедрения лития в такие структуры сопровождается образованием кластеров и ковалентных молекул лития со связями, подобными металлическим, что повышает проводимость AM электрода и улучшает эффективность при циклировании.

Предложены технологические рекомендации по изготовлению и эксплуатации С₈СЮ₃, LiAl и Li_xC₆ электродов для литиевых и литий-ионных аккумуляторов прессованной и рулонной конструкции. Испытания опытных образцов и макетов источников тока систем LiAl/C₈Cr0₃ и Li_xC₆/C₈Cr0₃ показали, что они отличаются высокой емкостью, эффективностью при циклировании, не склонны к саморазряду. Разработаны экологически и экономически оправданные методы регенерации и утилизации отработанных С₈СЮ₃ и подобраны оптимальные режимы этих процессов.

На основе экспериментально полученных зависимостей напряжения разряда от времени при различных величинах разрядного тока и температурах проведено феноменологическое моделирование разрядного процесса и проанализированы аналитические зависимости, описывающие связь емкости ЛА с величиной тока разряда. Показана применимость уравнения Пейкерта 1Ч = К к литиевым источникам тока, определены константы «п» и «К». Установлено, что величина «п» практически не зависит от температуры, конструкции ЛА, способов модифицирования электродов. Постоянная «К», напротив, является линейной функцией температуры, зависит от состава активной массы и конструкции электродов.

Список основных публикаций по диссертации

Попова С.С. Влияние природы растворителя на физико-химические свойства растворов/ С.С.Попова, Л.Н. Ольшанская, О.Н. Авдошкина // Журнал физической химии.- 1981. - Т.55, №10.-С.2526-2529.

Попова С.С. Электрохимическое поведение соединений внедрения С₈СЮ₃ в неводных электролитах/ С.С.Попова, Л.Н. Ольшанская, Ю.Н.Семенов // Электротехническая промышленность: Сер. химические и физические источники тока. -1982. - №6.- С.7-10.

Попова С.С. Влияние природы растворителя на кинетику внедрения лития в алюминиевый электрод / С.С.Попова, Б.Н.Кабанов, Л.А.Алексеева, И.Г.Киселева, Л.Н. Ольшанская // Электрохимия. -1985. - Т.21, №1. -С.38-44.

Ольшанская Л.Н. Измерения равновесного потенциала на C_sCr0₃-электроде в растворах перхлората лития/ Л.Н. Ольшанская, С.С.Попова // Известия вузов. Химия и хим. технология.- 1988. -Т.31, №3.- С.84-88.

Попова С.С. Исследование анодного поведения литий-алюминиевого электрода в растворе перхлората лития в ацетонитриле / С.С.Попова, Л.Н. Ольшанская, Л.А.Алексеева, И.Г.Киселева, Б.Н.Кабанов // Электрохимия. -1989.-Т.25, №6.- С.790-792 .

Попова С.С. Литиевый аккумулятор с твердым электролитом/С.С.Попова, Л.Н. Ольшанская, Г.П.Денисова, Г.А. Распопова // Известия вузов. Химия и хим. технология.-1993. -Т.36, №10.- С.88-92 .

Попова С.С. Влияние природы и концентрации солей лития на электрохимическое коррозионное поведение литиевого электрода в пропиленкарбонатных растворах / С.С.Попова, Л.Н. Ольшанская, С.М. Шугайкина, Л.Н.Афанасьева // Известия вузов. Химия и хим. технология,. -1999.- Т.42, №2.-С.107-110.

Поминова Т.В. Особенности процессов сплавообразования в Системе алюминий-никель при потенциалах катодного внедрения лития / Т.В. Поминова, Л.Н. Ольшанская. С.С.Попова // Известия вузов. Химия и хим. технология.- 1999.-Т.42, № 2.-С.52-57.

Ольшанская Л-Н. Механизм интеркаляции лития в структуру модифицированного С₈СЮ₃ катода при повышенных температурах / Л.Н Юльшанская, С.С.Попова, В.В. Гуш // Электрохимия, «Вопросы химии и хим. технологии» (спец. выпуск Днепропетровского ГХТУ). -1999. -№1.-С.257-259.

Ю.Ольшанская Л.Н. Влияние технологических параметров на электрохимическую активность СвСгОз-электрода при внедрении лития в органических электролитах / Л.Н. Ольшанская, С.С.Попова // ЖПХ.-2000. -Т.73, №1.-С.54-58.

11.Поминова Т.В. Влияние природы углеродного материала на катодное внедрение лития / Т.В.Поминова, Л.Н. Ольшанская, С.С.Попова // Элек-трохимия.-2000.-Т.36,№4.-С.448-454.

12.Ольшанская Л.Н. Влияние природы третьего компонента на кинетические закономерности электрохимического формирования сплава LiA| на алюминии /Л.Н. Ольшанская, С.С.Попова, С.М. Закирова // Электрохимия,-2000.- Т.36, №8.- С.951-958.

13. Ольшанская Л.Н. Влияние добавок воды на электрохимическое поведение электрода в водных растворах перхлората лития// Исследования в области прикладной электрохимии: Межвуз. науч. сб.-Саратов: Изд-ви Сарат. ун-та, 1989.-С. 138-145.

14.Строколепко Ю.С. Модифицирование механических свойств IJAI-электрода и усовершенствование технологий его изготовления Ю.С. Строколенко, С.М. Шугайкина, Л.Н. Ольшанская // Современные проблемы хим. технологии и материаловедения: Сб. тр. 1-й науч.-техн. конф. ТИ СГТУ.-Саратов, 1995.-С.213-225.

15.Гуш В.В. Влияние температуры на процесс интеркаляции лития в структуру модифицированного С₈Сг0₃-катода / В.В. Гуш, Л.Н. Ольшанская, С.С.Попова // Химия: Состояние и перспективы научных исследований на пороге третьего тысячелетия: Сб. статей/ Саратов: Изд-во Сарат. ун-та,; 1999.-С. 35-37.

16.Попова С.С. Влияние природы и концентрации внедряющегося металла ¹ на концентрацию поверхностных дефектов в алюминии и его сплавах С.С.Попова, Л.Н. Ольшанская, С.М. Шугайкина // Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств: Труды Междунар. конф., Саратов, 7-10 дек., 1994 г.- Саратов: СГТУ, 1994.- С.37-40.

17.Попова С.С. Роль электронных переходов при электрохимическом вне-дрении лития в интеркалированный графит/С.С.Попова, Л.Н. Ольшанская. Г.А. Распопова// Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Труды IV Междунар. конф., Черноголовка, 17-19 сент., 1996 г.;- М.: ИЭЛ РАН, 1996.- С.16-18.

18. Попова С.С. Морфология роста и структура фаз внедрения лития при электрохимическом внедрении на модифицированном алюминии/ С.С.Попова, Е.Г. Поволоцкий, Л.Н. Ольшанская, Н.А.Кузнецова, С.М. Шугайкина// Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Труды IV Междунар. конф., Чер-ноголовка, 17-19 сент., 1996 г.-М.: ИЭЛ РАН, 1996,-С. 113-114.

19.Electrochemical incorporation of metals into cathodes - the new method of increasing / S.S.Popova, L.N.Olshanskaya, M.A.Eremeeva, E.G.Povolotski // Peartion Engenuring Electrochemical Reactors: 10-th Intern. Congress of chemical Engenuring. Equipment Desing and Automation CHISA 90, Czechoslovakia, aug. 26-31,1990.-Praha, 1990.-P.6b65.

20.Electrochemical and microstructural investigations offthe lithium to LiAl electrode modified by metals of transitional raws / S.S.Popova, E.G.Povolotshi, L.N.Olshanskaya, N.A.Kusnezova, N.AiPolitaeva // Chemical and Process Engenuring: 12-th international of CHISA 96 summery, Praha.Czec. Republic, aug. 25-30,1996.-Praga, 1996.-P.79.-81