Тема: АНОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

В современном мире для нужд потребителя ежедневно производятся новые беспро­водные устройства, требующие различное количество энергии для своего функциониро­вания. Для питания таких устройств обычно используются химические источники тока (далее ХИТ), так как они автономны, экологичны в процессе работы и являются малога­баритными. Именно поэтому учеными всего мира разрабатываются и исследуются пер­спективные материалы для ХИТ, которые смогут обеспечить различные сферы жизни че­ловека необходимой автономной энергией. В перспективе, когда они станут сравнимы по плотности энергии и стоимости с двигателями внутреннего сгорания, то есть станут со­вершенными источниками энергии для использования, в частности, и в транспорте, сфера их применения значительно расширится.
В связи с этим данная работа посвящена исследованию характеристик оксидов желе­за, которые на данный момент рассматриваются в качестве перспективных материалов анодов литий-ионных аккумуляторов из-за своей высокой в сравнении с коммерциализо­ванными соединениями теоретической удельной емкостью (порядка 1000 мА-ч/г [1]). Та­кое свойство материала позволяет запасать значительное количество энергии, что и при­влекает исследователей в оксидах железа.
Однако эти материалы имеют ряд недостатков, ограничивающих их широкое приме­нение. Одним из таких недостатков является значительное изменение объема материала в процессе заряда/разряда, что приводит к большой потере емкости на первых циклах рабо­ты, которая затем не восстанавливается. Также оксиды железа имеют низкую электрон­ную проводимость [2].
Поэтому различными группами ученых проводятся работы по уменьшению влияния недостатков оксидов железа на их электрохимические характеристики. Настоящая работа преследует эту же цель. Улучшить параметры оксидов железа планируется путем созда­ния композиционных материалов на основе оксидов железа и углерода наиболее простым, экономичным и безопасным методом.
Купить

В заключении можно сделать следующие основные выводы по проведенный работе.
1. На основе изученной литературы были сделаны выводы о методах, которые могут быть использованы для синтеза композиционных материалов на основе оксида железа и углерода для их последующего использования в качестве анодов ЛИА. Для получения це­левых образцов был выбран синтез оксидов железа методом горения из растворов с по­следующим отжигом на воздухе при температуре 900 °С (для гомогенизации фазы БезОз) и приготовлением композитов БезОз/С путем механического перетирания полученных ок­сидов железа с электропроводящей сажей в среде этилового спирта.
2. Выбранным методом синтеза были получены оксиды железа с различными вида­ми топлива с вариацией соотношения топливо/окислитель. Изучено влияние разных типов топлива на условия синтеза оксидов железа методом горения из растворов. Исследовано влияние стехиометрического отношения топлива к окислителю на условия синтеза окси­дов железа методом SCS. На основе анализа полученных результатов сделан вывод о необходимости использования комбинированного топлива с суммарным ф = 1,0 для уменьшения максимальной температуры горения и минимизации выделения газов СО и NOx при синтезе оксидов железа.
3. В качестве комбинированного топлива выбрана смесь из мочевины и лимонной кислоты. При синтезе оксидов железа с мочевиной развиваются более низкие температу­ры, чем при горении реакционной смеси с глицином. Привлекательна также более низкая цена мочевины по сравнению с глицином. Лимонная кислота является ингибитором горе­ния. Определено оптимальное соотношение между мочевиной и лимонной кислотой, ф моч. = 0,3 ф лим. кисл. 0, 7, позволяющее наиболее безопасно синтезировать БеОх.
4. Проведено масштабирование процесса синтеза оксидов железа с использованием комбинированного топлива при ф моч. = 0,3 ф лим. кисл. 0,7. Масса единичной порции про­дукта увеличена с 5 до 25 г. Средние температуры в процессе синтеза не превышают 550 °C, что является безопасным режимом для алюминиевого реактора.
5. Из синтезированных и отожженных в камерной печи на воздухе при температуре 900 °С образцов оксидов железа путем механического перемешивания с электропроводя­щей сажей с среде этилового спирта получены композиты БезОз/С.
6. Все образцы оксидов железа после отжига кристаллизовались в фазе гематита, что подтверждено результатами РФА. Размеры первичных кристаллитов находятся в диапа­зоне от 20 до 70 нм, а агломератов частиц оксидов железа - от 2 до 11 мкм. СЭМ исследо­вания показали, что агломераты состоят из сросшихся конгломератов с полостями между
ними (при синтезе с мочевиной и комбинированным топливом). Наиболее многообещаю­щей морфологией для применения оксидов железа в качестве анодов ЛИА обладает про­дукт, полученный с применением комбинированного топлива (мочевина + лимонная кис­лота). Качественная оценка морфологии сажи, добавляемой в качестве углерода к оксидам железа, которая была исследована методом спектроскопии комбинационного рассеяния света показала преобладание проводящей компоненты углерода над непроводящей. Элек­тропроводности образов оксидов железа и композитов FezOs/C, исследованные с помо­щью импеданса и измерений на постоянном токе, показали низкую проводимость FezOs и достаточную для применения в качестве анодов ЛИА композитов FezOs/C (~ 10-1 См/см).
7. Приведенная в работе и опробованная методика получения композитов из окси­дов железа и углерода в виде электропроводящей сажи при большем масштабировании может быть использована для производства анодных материалов на основе оксидов желе­за. Она является достаточно простой, не требует больших затрат и сложного оборудова­ния, а также технологически безопасна.
В дальнейшем планируется провести измерения электрохимических характеристик синтезированных композитов в составе полнофункциональных ячеек.
Купить