Электроактивные полимеры сегодня являются перспективными материалами для использования в литий-ионных аккумуляторах, которые используются повсеместно в качестве источников энергии в бытовой электротехнике, электромобилях и других системах. Одним из важных составляющих литий-ионных аккумуляторов, играющим существенную роль в определении их электрохимических характеристик, является связующий компонент. Введение электроно- и ионопроводящих полимеров в состав связующего приводит к улучшению электрохимических и механических свойств литий-ионных аккумуляторов. Однако не существует детальных исследований причин такого влияния электроактивных полимеров. Поэтому в настоящее время создание электродных композитов на основе различных комбинаций активного материала и связующего компонента осуществляется методом проб и ошибок, а не рациональным поиском по заданным параметрам. Таким образом, эффективный подбор связующего возможен только на основе понимания механизма взаимодействия связующего компонента с активным материалом, а также механизма переноса заряда внутри связующего компонента.
Целью данной работы является определение параметров переноса заряда в пяти электроактивных полимерах, наиболее перспективных для использования в составах связующих в литий-ионных аккумуляторах и выбор наиболее предпочтительного полимера на основе проведённого анализа. Для достижения поставленной цели будут выполнены следующие задачи: синтез полимерных плёнок на поверхности стеклоуглеродного электрода; определение лимитирующей стадии переноса заряда методом циклической вольтамперометрии; определение числа переносимых зарядов звеном полимера с помощью метода спектроскопии электрохимического импеданса; расчёт бинарных коэффициентов диффузии по модели Монтелла с помощью потенциостатического прерывистого титрования.
В процессе работы были исследованы процессы переноса заряда в наиболее перспективных в качестве связующих литий-ионных аккумуляторах электроактивных полимерах: полианилин (ПАНИ), полиметилтиофен (ПМТ), полиоктилтиофен (ПОТ), полидодецилтиофен (ПДДТ) и полиэтилендиокситиофен с ионным допантом полистиролсульфонатом (ПЕДОТ:ПСС). Основные результаты представлены ниже:
• Для всех исследуемых полимеров диффузия частиц через плёнку не является лимитирующей стадией переноса заряда (кроме образца ПЕДОТ:ПСС, полученного из раствора без добавления электролита L1CIO4). Кинетика не является лимитирующей стадией переноса заряда для образцов ПАНИ, ПМТ, а также ПЕДОТ:ПСС. Небольшая замедленность переноса заряда через границы электрод/проводящий полимер и проводящий полимер/раствор электролита замечена для образца ПОТ. В полимере ПДДТ наблюдается заметное лимитирование стадией разряда ионизации.
• Новый метод расчёта количества переносимого заряда в элементарном акте лимитирующей стадии был опробован в данной работе. Оценено количество переносимых зарядов для трёх полимеров: ПАНИ, ПОТ и ПДДТ. Числа переносимых зарядов следующие: 2 заряда для ПАНИ, 1 для ПОТ, 1 для ПДДТ. Полуокружности на спектрах электрохимического импеданса для ПМТ и ПЕДОТ:ПСС при различных потенциалах не меняются, что не позволяет рассчитать количество переносимых зарядов для этих полимеров.
• Модель Монтелла была использована для расчёта коэффициентов диффузии исследуемых образцов. Выявлено, что модель применима для образцов, у которых коэффициент диффузии выше, чем 10-8 см2/с. Для исследуемых образцов наблюдаются коэффициенты диффузии порядков 10-8 ч- 10-10 см2/с
• На основании полученных данных о переносе заряда в изучаемых проводящих полимерах определено, что наиболее предпочтительными для использования в качестве связующего в литий-ионных аккумуляторах являются ПЕДОТ:ПСС и ПМТ за счёт быстрого переноса заряда, а также широкой области проводимости
и электроактивности.
