Исследование процессов перезарядки композитного катодного материала для литий-ионных аккумуляторов на основе LiFe0.4Mn0.6PO4 и проводящего полимера PEDOT:PSS

Главная » Литература » Тезисы » Исследование процессов перезарядки композитного катодного материала для литий-ионных аккумуляторов на основе LiFe0.4Mn0.6PO4 и проводящего полимера PEDOT:PSS
Автор: Апраксин Р.В., Елисеева С.Н., Толстопятова Е.Г., Кондратьев В.В.
Год издания: 2016

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург

Катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов на основе смешанных фосфатов лития-железа-марганца LiFexMn1-xPO4 (LFMP), обладающие повышенной удельной энергией, термической и химической стабильностью, являются перспективными аналогами широко использующегося на данный момент литий-железо-фосфата [1,2]. К недостаткам материалов данного типа относятся низкая электронная проводимость и диффузионные ограничения по переносу заряда в толще материала, которые снижают достигаемые на практике емкость и мощность.

Основным подходом к повышению проводимости LFMP является использование покрытий из проводящих материалов или распределение материала в проводящей матрице. Чаще всего в качестве таких покрытий выступают различные углеродные материалы [3]. Альтернативным путем является использование проводящих полимеров. Среди большого числа проводящих полимеров можно выделить поли-3,4-этилендиокситиофен/полистиролсульфонат (PEDOT:PSS), обладающий термической и электрохимической стабильностью и проводимостью в широком диапазоне потенциалов [4]. Проводящий полимер может выполнять двойную функцию, как добавки, повышающей электронную и ионную проводимость и создающей условия для быстрого протекания процессов перезарядки, так и полимерного связующего, обеспечивающего надежный контакт между частицами активного материала.

Композитные катодные материалы были приготовлены с использованием активного вещества LiFe0.4Mn0.6PO4 и проводящего полимера PEDOT:PSS с добавкой карбоксиметилцеллюлозы (CMC) в качестве связующего. Свойства полученных материалов сравнивались с материалами стандартного состава, где в качестве связующего использовался поливинилиденфторид (PVDF). Ранее было продемонстрировано, что материалы, полученные таким способом, обладают повышенной емкостью, мощностью и хорошей стабильностью [5].

Целью данной работы являлось исследование влияния добавки проводящего полимера на свойства катодного материала LFMP путем изучения кинетики процесса перезарядки методами циклической вольтамперометрии и спектроскопии электрохимического импеданса. Из полученных импедансных спектров для различных потенциалов, а также циклических вольтамперограмм для различных скоростей развертки потенциала, были определены основные кинетические параметры и коэффициенты диффузии лития. Для составов, модифицированных проводящим полимером PEDOT:PSS и CMC, наблюдается значительное увеличение коэффициентов диффузии лития и снижение сопротивления переносу заряда через границу раздела электрод/электролит. Изменение данных параметров отвечает за наблюдаемое улучшение электрохимических свойств катодных материалов с добавками PEDOT:PSS и CMC.

Электрохимическая стабильность полученных катодных материалов была характеризована методом гальваностанического заряда-разряда. Составы с добавками PEDOT:PSS/CMC продемонстрировали высокую стабильность (падение емкости за 100 циклов заряда-разряда составило 1%), что свидетельствует о хорошем контакте между частицами и эффективном и обратимом протекании процессов перезарядки. Стабильность активного материалы дополнительно подтверждалась данными рентгенофазового анализа. После 100 циклов заряда-разряда изменение структуры материала, а также образование новых фаз не детектировалось.

Спектры электрохимического импеданса для полностью заряженного состояния

Рис. 1. Спектры электрохимического импеданса для полностью заряженного состояния (Е=4.4В) для составов LFMP/PVDF и LFMP/PEDOT:PSS/CMC

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-29-04043. Исследования методом рентгенофазового анализа были проведения с использованием оборудования ресурсного центра Научного парка СПБГУ «Рентгенодифракционные методы исследования»

Литература

  • [1] L. Hu, B. Qiu, Y. Xia, Z. Qin, L. Qin, X. Zhou, Z. Liu, Solvothermal synthesis of Fe-doping LiMnPO4 nanomaterials for Li-ion batteries, J. Power Sources. 248 (2014) 246–252.
  • [2] P.F. Xiao, B. Ding, M.O. Lai, L. Lu, High Performance LiMn1−xFexPO4 (0 ≤ x ≤ 1) Synthesized via a facile polymer-assisted mechanical activation, J. Electrochem. Soc. 160 (2013) A918–A926.
  • [3] J. Wang, X. Sun, Understanding and recent development of carbon coating on LiFePO4 cathode materials for lithium-ion batteries, Energy Environ. Sci. 5 (2012) 5163–5185.
  • [4] K. Sun, S. Zhang, P. Li, Y. Xia, X. Zhang, D. Du, F. Isikgor, J. Ouyang, Review on application of PEDOTs and PEDOT:PSS in energy conversion and storage devices, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 26 (2015) 4438–4462.
  • [5] R. V Apraksin, S.N. Eliseeva, E.G. Tolstopjatova, A.M. Rumyantsev, V. V Zhdanov, High-rate performance of LiFe0.4Mn0.6PO4 cathode materials with poly(3,4-ethylenedioxythiopene):poly(styrene sulfonate)/ carboxymethylcellulose, Mater. Lett. 176 (2016) 248–252.