Перспективные катодные материалы на основе сложных оксидов переходных металлов для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии.

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 проекта 17-13-01424

НазваниеПерспективные катодные материалы на основе сложных оксидов переходных металлов для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии.

Руководитель Волков Вячеслав Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-202 - Химия твердого тела, механохимия

Ключевые слова Литий-ионный аккумулятор, катодные материалы, сложные оксиды, структура, неорганический синтез, покрытия, катионное допирование

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящий момент литий-ионные аккумуляторы стали основным источником энергии для портативной техники. Проблема сегодняшнего дня для литий-ионных аккумуляторов - повышение их емкостных и мощностных характеристик. Создание высокоэнергоемких электрохимических систем особенно важно для их применения в накопителях энергии для электросетей, в аккумуляторах гибридных и электромобилей. Сейчас в литий-ионных аккумуляторах для батарей гибридного и электротранспорта используются литий-марганцевая шпинель, литированные смешанные оксиды никеля-кобальта-марганца и никеля-кобальта-алюминия. Однако аккумуляторы с катодами из этих материалов не могут обеспечить необходимых параметров [1]. Основной ресурс повышения удельной энергии литий-ионных аккумуляторов - применение более энергоёмких материалов положительного электрода (катода). По мнению разработчиков фирмы BMW прогресс в этой области может быть достигнут только при значениях удельной энергии материала катода на уровне не меньше 700 Втч/кг [1]. Наиболее привлекательны, с этой точки зрения сложные литированные оксиды никеля-кобальта-марганца с избытком лития от стехиометрии LiMO2, так называемые Li-rich оксиды, общей формулы Li(1+y)M(1-y)O2 (M=Ni, Co, Mn), емкость которых может достигать 270 Ач/кг. Однако их реальное применение сдерживается рядом существенных недостатков. Основными проблемами, которые необходимо решить для Li-rich соединений, являются большая необратимая емкость в первом цикле и падение емкости и напряжения при циклировании. Несмотря на большое количество исследований, пока не получены материалы, в которых эти недостатки устранены. Ввиду сложности рассматриваемых систем до сих пор однозначно не установлены причины такого поведения этих материалов. Проект направлен на поиск зависимостей, определяющих устойчивость кристаллической и электронной структуры катодного материала на основе сложных литированных оксидов Li(1+y)M(1-y)O2 (M=Ni, Co, Mn) и на разработку условий синтеза, гарантирующих получение такого материала. Предлагаемые пути решения: варьирование состава по основным компонентам (никель, кобальт, марганец), использование допирования другими элементами, различающимися ионными радиусами, зарядом и имеющими склонность к различному координационному окружению, введение катионных вакансий, модифицирование поверхности. Впервые поставлена задача исследовать возможность формирования в предлагаемой системе структур с контролируемым размером нанодоменов и/или твердых растворов (псевдорастворов), провести сравнение их свойств и сделать выводы о предпочтительном составе и типе структуры. Для этого предполагается использовать различные методы синтеза материалов (соосаждение с последующей твердофазной реакцией, модификации золь-гель метода, распылительная сушка), формирование в различных режимах нагрева и охлаждения и использование ультразвукового воздействия при синтезе. Последний способ в применении к рассматриваемым в проекте структурам, по известным нам данным, предлагается также впервые. Вклад в деградацию материала, обусловленный поверхностными взаимодействиями, планируется оценить, используя нанесение покрытий на поверхность Li-rich оксидов. Задачами исследования являются изучение влияния перечисленных факторов и условий получения структур на фазовую и структурную устойчивость, кристаллическую и локальную кристаллическую структуру, электрохимическую емкость соединений, окислительно-восстановительный потенциал, циклируемость и скоростные характеристики исследуемых катодных материалов, изменение напряжения и сопротивления в процессе циклирования. Исследования будут проводиться с использованием методов рентгенофазового анализа (РФА) с уточнением Ритвельда, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с локальным микроанализом, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), электронной дифракции, электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), элементного анализа методом масс-спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS), гранулометрического анализа с использованием лазерного дифракционного анализатора размера частиц. Электрохимические исследования материалов будут проведены методами гальваностатического циклирования, в том числе при разных скоростях циклирования, циклической вольтамперометрии и спектроскопии электрохимического импеданса. Полученные результаты позволят сделать выводы об основных причинах деградации материалов - падении емкости и напряжения - и предложить пути стабилизации Li-rich материалов. [1] D. Andre, S.-J. Kim, P. Lamp, S. F. Lux, F. Maglia, O. Paschosa, B. Stiasznya // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 6709.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.В. Махонина, Л.С. Масленникова, В.В. Волков, А.М. Румянцев, Ю.М. Коштял, М. Ю. Максимов, В.С. Первов, И.Л. Еременко Li-rich and Ni-rich transition metal oxides: Coating and core-shell structures Applied Surface Science (год публикации - 2018)
10.1016/j.apsusc.2018.07.159

2. Л.С. Печень, Е.В. Махонина, А.М. Румянцев, Ю.М. Коштял, В.С. Первов, И.Л. Еременко Effect of the Synthesis Method on the Functional Properties of Lithium-Rich Complex Oxides Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2 RUSSIAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY, №12, V. 63, P.1534-1540 (год публикации - 2018)
10.1134/S0036023618120173

3. Е.В. Махонина, Л.С. Печень, В.В. Волков, А.М. Румянцев, Ю.М. Коштял, А.О. Дмитриенко, Ю.А. Политов, В.С. Первов, И.Л. Еременко Синтез, микроструктура и электрохимические свойства катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе слоистых оксидов, обогащенных литием Известия Академии Наук. серия Химическая. (год публикации - 2019)

4. Л.С. Печень, Е.В. Махонина, А.М. Румянцев, Ю.М. Коштял, В.В. Волков, А.С. Головешкин, В.С. Первов, И.Л. Еременко Влияние состава на электрохимические свойства катодных материалов xLi2MnO3•(1-x)LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2 для литий-ионных аккумуляторов Известия Академии Наук. Серия Химическая. (год публикации - 2019)

5. Е.В. Махонина, Л.С. Печень, А.М. Румянцев, Ю.М. Коштял, В.В. Волков, Ю.А. Политов, В.С. Первов, И.Л. Еременко Influence of synthesis conditions and post-synthesis treatment on the electrochemical performance of Lirich NMC Book of Abstracts XV International Conference Topical problems of energy conversion in lithium electrochemical systems, P.169-171 (год публикации - 2018)

6. В.В. Волков, Е.В. Махонина, Л.С. Печень, А.М. Румянцев, Ю.М. Коштял, И.Л. Еременко Нанокомпозитные катоды обогащенные литием и марганцем. Анализ микроструктуры методами электронной микроскопии Book of Abstracts XV International Conference Topical problems of energy conversion in lithium electrochemical systems, С. 77-80 (год публикации - 2018)

7. Печень Л.С., Махонина Е.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Волков В.В., Еременко И.Л. Синтез и электрохимические свойства катодных материалов xLi2MnO3•(1-x)LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2 для литий-ионных аккумуляторов Сборник материалов Четвертого междисциплинарного научного форума с международным участием «Новые материалы и перспективные технологии», Т. 2, С.574-576 (год публикации - 2018)

8. Печень Л.С., Махонина Е.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Головешкин А.С., Волков В.В., Политов Ю.А., Еременко И.Л. Synthesis and electrochemical performance of Li-rich xLi2MnO3•(1- x)LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2 (x=0.2–0.5) cathode materials for lithium-ion batteries IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, №1, V. 525, P. 012042 (год публикации - 2019)
10.1088/1757-899X/525/1/012042

9. Колчанов Д.С., Митрофанов И., Ким А., Коштял Ю., Румянцев А., Сергеева Е., Виноградов А., Попович А., Максимов М.Ю. Inkjet Printing of Li-Rich Cathode Material for Thin-Film Lithium-Ion Microbatteries Energy Technology, P. 1901086 (год публикации - 2019)
10.1002/ente.201901086

10. Махонина Е.В., Печень Л.С., Волков В.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Политов Ю.А., Первов В.С., Еременко И.Л. ELECTROCHEMICAL, STRUCTURAL, AND MAGNETIC STUDY OF LI-RICH CATHODE MATERIALS FOR LITHIUM-ION BATTERY NANOCON 2019 - Conference Proceedings (год публикации - 2020)

11. Печень Л.С., Махонина Е.В., Волков В.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Политов Ю.А., Первов В.С., Еременко И.Л. INVESTIGATION OF CAPACITY FADE AND VOLTAGE DECAY IN LI-RICH CATHODE MATERIALS WITH DIFFERENT PHASE COMPOSITION NANOCON 2019 - Conference Proceedings (год публикации - 2020)

12. Волков В.В., Печень Л.С., Махонина Е.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Политов Ю.А., Первов В.С., Еременко И.Л. ELECTROCHEMICAL, STRUCTURAL, AND MAGNETIC STUDY OF LI-RICH CATHODE MATERIALS FOR LITHIUM-ION BATTERY Abstracts of 11th International Conference on Nanomaterials - Reseach and Application, С. 41 (год публикации - 2019)

13. Печень Л.С., Махонина Е.В., Волков В.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Политов Ю.А., Первов В.С., Еременко И.Л. INVESTIGATION OF CAPACITY FADE AND VOLTAGE DECAY IN LI-RICH CATHODE MATERIALS WITH DIFFERENT PHASE COMPOSITION Abstracts of 11th International Conference on Nanomaterials - Research and Application, C. 41-42 (год публикации - 2019)

14. Печень Л.С., Махонина Е.В., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Волков В.В., Политов Ю.А., Еременко И.Л. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОКСИДОВ СОСТАВА xLi2MnO3•(1-x)LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2 В КАЧЕСТВЕ КАТОДНОГО МАТЕРИАЛА ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА Тезисы докладов IX Конференции молодых ученых по общей и неорганической химии, том 1, с. 109-110 (год публикации - 2019)

15. Волков В.В., Махонина Е.В., Медведева А.Е., Масленникова Л.С., Ролитов Ю.А., Еременко И.Л. On the formation of epitaxial coating Al2O3 film leading to lifetime expansion for Lithium-ion cathode materials Proc. of the 2-nd International Conference AEM-2017, Surray, England, ID-114 (год публикации - 2017)

16. Махонина Е.В., Медведева А.Е., Масленникова Л.С., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Ролитов Ю.А., Волков В.В., Первов В.С., Еременко И.Л. Composite Cathode Materials for Lithium-ion Batteries Proc. of the E-MRS Fall Meeting, Warsaw, Poland (год публикации - 2017)

17. Волков В.В., Махонина Е.В., Медведева А.Е., Масленникова Л.С., Политов Ю.А., Еременко И.Л. An Epitaxial Alumina Coating Helps to Improve the Lifetime of Lithium-Ion Batteries Proc. of the E-MRS Fall Meeting, Warsaw, Poland (год публикации - 2017)

18. Махонина Е.В., Масленникова Л.С., Волков В.В., Медведева А.Е., Румянцев А.М., Коштял Ю.М., Первов В.С., Еременко И.Л. Complex Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxides: Core-Shell Structures and Li-Rich Composites Proc. of the 2-nd International Conference AEM-2017, Surray, England (год публикации - 2017)

Публикации