6.04.2020 №14

image

Ученые ИОНХ НАН Беларуси и Академии научных исследований и технологий Египта разработали методику получения титанатов лития со шпинельной структурой.

Группой ученых Института общей и неорганической химии НАН Беларуси (ИОНХ) и Академии научных исследований и технологий Египта разработана методика получения титанатов лития со шпинельной структурой методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из глицин-цитрат-нитратных смесей.

Работа велась по проекту «Разработка наноструктурных материалов для высокопроизводительных систем хранения энергии» (научный руководитель – член-корреспондент НАН Беларуси Анатолий Кулак). Несмотря на широкое применение литий-ионных батарей в различных устройствах, актуальной остается проблема поиска новых материалов для создания более надежных и безопасных подобных аккумуляторов. По сравнению с широко используемыми свинцово-кислотными или никель-кадмиевыми батареями, технологии перезаряжаемых накопителей на основе титанатов лития все еще до конца не изучены. С каждым годом проводится все больше исследований в этой области.

Одна из главных задач, которую необходимо решить, связана с перегревом аккумулятора: ведь чем выше ток, тем сильнее нагрев. В готовом изделии в ходе эксплуатации за безопасностью следит специальная электроника, контролирующая температуру в каждой ячейке, модуле, в котором они собраны, и температуру пакета аккумуляторов. Основной причиной возгорания литий-ионных аккумуляторов, например в смартфонах, является образование литиевых дендритов. Они представляют собой миниатюрные, жесткие древовидные цепи лития. Такие образования в литий-ионной батарее могут привести не только к возгоранию, но и просто к внутреннему короткому замыканию или отказу работы.

Вторая задача, требующая решения, связана с саморазрядом аккумулятора, который за год теряет 10–20% запасенной емкости. Ее потери у литий-ионных батарей, в зависимости от температуры, в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Ресурс работы первых – 500–1000 циклов.

Титанаты лития, полученные в ИОНХ, – перспективный анодный материал с особенностями кристаллической структуры. Она обуславливает повышенную устойчивость по отношению к процессу образования литиевых дендритов. Применение метода СВС титанатов лития со шпинельной структурой из глицин-цитрат-нитратных смесей позволяет получить однородные по химическому и фазовому составу материалы с пористой структурой, снизить продолжительность их синтеза, исключить энергоемкую стадию помола (смешения исходных твердофазных материалов), минимизировать использование органических растворителей.

Лабораторный прототип был создан с использованием анодного материала на основе кобальтсодержащего титаната лития с высокопроводящими добавками (ацетиленовая сажа, углеродные нанотрубки). Стабильность в процессах зарядки-разрядки такого химического источника тока исследовали при разных плотностях тока. Прототип продемонстрировал удельную емкость примерно в 3 раза выше, чем у современных литий-ионных батарей, и показал высокую стабильность емкостных характеристик независимо от рабочей плотности тока.

Ирина МАЦУКЕВИЧ, заведующая лабораторией магниевых соединений ИОНХ

Фото Ю. Евмененко, «Навука»