Электрохимические свойства композитных материалов на основе Li4Ti5O12 и поли-3,4- этилендиокситиофена/полистиролсульфоната

Институт химии СПбГУ, Санкт-Петербург

На сегодняшний день перспективным анодным материалом в источниках тока для электрических транспортных средств и портативных электронных устройств, является титанат лития (Li₄Ti₅O₁₂). Li₄Ti₅O₁₂ обладает высокой стабильностью вследствие низкой деформации кристаллической решетки при перезарядке, высокой теоретической удельной емкостью (175 мАч/г), безопасностью при эксплуатации, низкой токсичностью. Тем не менее, материал обладает низкой электронной и ионной проводимостью, что обуславливает недостаточную эффективность процессов перезарядки при высоких скоростях заряд-разряда.

В качестве основных стратегий улучшения скоростной способности перезарядки анодного материала ранее было предложено наноструктурирование материала и введение в его состав допирующих частиц. В последнее время было показано, что высокая скорость перезарядки также может быть достигнута за счет добавки проводящих полимеров в состав анодного материала.

В данной работе мы исследовали электрохимические свойства композитов на основе Li₄Ti₅O_12, изготовленных путем смешивания с сажей (СВ) и различными связующими: поли-3,4-этилендиокситиофен/полистиролсульфонат (PEDOT:PSS), карбоксиметилцеллюлоза (CMC), поливинилиденфторид (PVDF), которые были нанесены на Аl подложку. Анодный материал со стандартным связующим PVDF был приготовлен с использованием Li₄Ti₅O₁₂, CB и раствора PVDF в N-метил-2-пирролидоне в массовом соотношении 80:10:10.

Электрохимические свойства полученных материалов изучались в двухэлектродных ячейках типа сoin-cell CR2032. В их состав входили: металлический литий в качестве электрода сравнения, пористый полипропиленовый сепаратор, электролит 1 М LiPF₆ в смеси этиленкарбоната и диметилкарбоната в соотношении 1:2.

Циклические вольтамперограммы анодных материалов были получены при различных скоростях развертки потенциалов (0.1 – 0.5 мВ/с) в диапазоне потенциалов 1.0-2.5 В (отн. Li/Li⁺). При скорости сканирования 0.1 мВ/с потенциалы анодного и катодных пиков 1.48 и 1.67 В соответственно, что указывает на хорошую обратимость интеркаляционных процессов лития при фазовом переходе между Ti(IV)/Ti(III)_. При увеличении скорости развертки потенциала наблюдается увеличение разности потенциалов катодного и анодного пиков и возрастание тока. Методом гальваностатического заряда-разряда оценивали емкость анодных материалов и стабильность при многократном циклировании. Получили значения емкости 177 мА ч/г для материала с PEDOT:PSS/СМС, для материала с PVDF 172 мА ч/г при 0.2С (отнесено на массу Li₄Ti₅O₁₂). Падение емкости для композита со связующим PEDOT:PSS/СМС за 100 циклов при токе 1 С составило менее 1%, в то время как для композита со стандартным связующим – 8%.

Выражаем благодарность РОЦ «Химия» за предоставленное оборудование. Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №16-03-00457).