Сравнительный анализ анодных материалов литий-ионных аккумуляторов

ВВЕДЕНИЕ 9
1 Литий-ионные аккумуляторы: общие сведения и область применения 11
1.1 История развития литий-ионных аккумуляторов 11
1.2 Коммерческие литий-ионные аккумуляторы 16
1.3 Принцип и механизм работы литий-ионных аккумуляторов 21
1.4 Основные компоненты литий-ионного аккумулятора 22
2 Современные аноды для литий-ионных аккумуляторов 24
2.1 Основные материалы анодных электродов 25
2.2 Углеродные материалы 27
2.2.1 Графит 27
2.2.2 Нанотрубки 32
2.2.3 Нановолокно 33
2.2.4 Графен 34
2.3 Оксиды титана 34
2.3.1 Li4Ti3O12 35
2.3.2 TiO2 37
2.4 Кремниевые аноды 41
2.4.1 Наноструктурированный кремний 43
2.4.2 Композиты кремний/аморфный углерод 45
2.4.3 Композиты кремний/графен 46
2.4.4 Композиты из кремния/углеродного волокна или нанотрубок 48
2.4.5 Композиты Si/полимер 50
2.4.6 Сплавы/композиты на основе кремния 52
2.5 Олово 58
2.6 Сурьма и фосфор 61
2.7 Оксид железа 66
2.8 Оксид меди 68
3 Заключение 69
3.1 Основные выводы по работе 69
Список источников литературы 70
Приложение 82

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы
Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) – это самые распространенные вторичные химические источники тока. В основе работы ЛИА лежит обратимый процесс переноса заряда между двумя электродами: катодом и анодом. В качестве катода в коммерческих ЛИА используются LiFePO4, LiCoO2, LiMn2O4, в качестве анода – графит, Li4Ti5O12. ЛИА обладают высокой удельной энергией, длительным сроком службы по сравнению с свинцово-кислотными или никель-кадмиевыми аккумуляторами. Данный факт обуславливает их широкое применение в различных электронных устройствах. Однако все возрастающие требования к расширению областей применения литий-ионных аккумуляторов (транспорт, стационарные накопители энергии) приводят к тому, что в настоящее время во всем мире стремительно развиваются исследования в сфере литий- ионных технологий. Появление новых технологий вызывает потребность в разработке новых и усовершенствовании имеющихся материалов для ЛИА, прежде всего с целью увеличения их удельной энергоемкости и уменьшения стоимости. Одно из узких мест ЛИА с этой точки зрения — материал отрицательного электрода (анода), вследствие чего, одним из главных направлений исследований является разработка и использование новых обладающих высоким значением емкости анодных материалов.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Литий-ионные аккумуляторы: общие сведения и область применения
1.1 История развития литий-ионных аккумуляторов
В конце 1960-х множество технологических инноваций привели к появлению различных новых аккумуляторных технологий. Этому прогрессу способствовал растущий спрос на портативную энергию во многих различных секторах, в том числе в имплантируемых медицинских устройствах и бытовой электронике. Таким образом, стало понятно, что обычные аккумуляторы на водной основе не могли справиться с растущей потребностью в энергии, поскольку эти батареи были просто слишком большими и тяжелыми [1].
Разработка новой концепции аккумуляторов, использующих литий в качестве катода в сочетании с неводными электролитами стала технологическим прорывом, в связи с более высокой удельной энергией и ее плотностью.
Основным преимуществом использования лития является сочетание низкого электрохимического эквивалента, низкой молекулярной массы (MLi: 7 г/моль), низкой плотности (?Li: 0,534 г/см3) и, соответственно, высокой удельной и объемной емкости, а также очень низкого электродного потенциала -3,05 В (по сравнению с водородным электродом), который, в свою очередь, допускает высокое напряжение элемента с соответствующими катодами [2]. Еще одним важным преимуществом лития является его кинетическая стабильность в неводных электролитах. Несмотря на термодинамическую нестабильность электролита, электронно-изолирующий пассивирующий слой образуется путем начального разложения электролита на его поверхности. Он называется интерфазой твердого электролита (ИТЭ), и защищает электролит от дальнейшего разложения, но в идеальном случае является проницаемым для перехода литий-ионов. Защитный слой ИТЭ, который также формируется на различных анодных материалах для литий-ионных аккумуляторов, работающих при потенциалах ниже 1В относительно Li/Li+ (в зависимости от компонентов электролита), определяет долгосрочную стабильность, срок службы и безопасность аккумулятора, и интенсивно изучался в последние десятилетия [3, 4].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Lewis, N. Powering the planet / N. Lewis // MRS Bulletin. – 2007. – №32. P. 808–820.
2. Scrosati, B. History of lithium batteries / B. Scrosati // J Solid State Electrochem. –2007. – №15. P. 1623–1630.
3. Winter, M. Wiederaufladbare Batterien. Teil 2: Akkumulatoren mit nichtwa?riger Elektrolytlosung / M. Winter, J. O. Besenhard // Chem Unserer Zeit. – 1999. – №33 (6). P. 320–332.
4. Besenhard, J. O. Filming mechanism of lithium-carbon anodes in organic and inorganic electrolytes / J. O. Besenhard, M. Winter, J. Yang, W. Biberacher // J Power Sources. – 1995. – №54 (2). P. 228–231.
5. Verma, P. A review of the features and analyses of the solid electrolyte interphase in Li-ion batteries / P. Verma, P. Maire, P. Novak // Electrochim Acta. – 2010. – №55 (22). P. 6332–6341.
6. Eichinger, G. Lithiumbatterien I / G. Eichinger, G. Semrau // Chemische Grundlagen. Chem Unserer Zeit. – 1990. – №24 (1). P. 32–36.
7. Brandt, K. Historical development of secondary lithium batteries / K. Brandt // Solid State Ionics. – 1994. – №69 (3–4). P. 173–183.
8. Schneider, A. A. Primary cells and iodine containing cathodes therefore / A. A. Schneider, J. R. Moser // US Patent 3674562. – 1972.
9. Placke, T. Batterien fur medizinische Anwendungen / T. Placke, M. Winter // Z Herz- Thorax- Gefa?chir. – 2015. – №29 (2). P. 139–149.
10. Whittingham, M. S. The lithium intercalates of the transition metal dichalcogenides / M. S. Whittingham, F. R. Gamble, Jr. // Mater. Res. Bull. – 1975. – №10 (5). P. 363–371.

Весь текст будет доступен после покупки