6 С + xli+ + хе =ixCg(1)
и предположительно
12 С + xli+ + хе=И,ХС12 (2)
показывает, что величины констант внедрения в 1 максимальны в области потенциалов 3,2±0,1 В. Зафиксированный при Ev = -3,4 В еще один максимум на зависимости Яд. «В П» -Eif (рис.5,6) может быть связан с образованием металлического лития в структуре фазы lixCg и началом образования еще одной фазы lixC, более богатой литием. Эффективная энергия активации для 1 и П процессов соответственно равна 13,4 и ~6,4 кдж/моль и подтверждает их диффузионную природу. Насыщение поверхности литием и уменьшение концентрации свободных дефектов при переходе процесса в стационарный режим сопровождается увеличением энергии активации до ~/ 20,7 кДж/моль.
В четвертой главе рассмотрено влияние природы утлеграфитовых материалов на кинетику электрохимического внедрения лития. Сравнение хода кривых ЯвЕ и показывает, что как для графита, так и для карбонизовакного волокна(КВ)и карбонизованной ткани (КТ) (рис.5,6) не только величины kи характер их зависимости от потенциала идентичны! что подтверждает диффузионную природу лимитирующей стадии процесса интерпаляции преобладающее влияние потенциала электрода и длительности электролиза на состав образующихся фаз как на начальном этапе поляризации (рис.5,6), так и в стационарных условиях (рис.7). Можно считать установленным что, независимо от при роды УГМ, в матрицах исследуемых электродов протекают две реакции:
- быстрое электрохимическое восстановление электролита графитом (1 стадия внедрения)
6 С + х l-i+...A -=» C6(l-vA)x, (3)
- основной процесс образования HxCg (П стадия внедрения) когда литий проникает внутрь структуры УГМ через слой ТЭЛ пленки по межслоевым пространствам и заполняет вакантные места
6 С + х it + хе~ + □ e=~ lixCg(4)
Параллельно возможно катодное восстановление растворителя.
Годографы импеданса lixCg(KT) электрода, снятые нами при температурах от 293 до 318 К в частотном диапазоне 200-20 кГц показали наличие двух соприкасающихся незаконченных полуокружностей. Траектория второй полуокружности образует при всех температурах с осью R угол 90°. Сопоставление радиусов дуг при различных температурах показывает (рис.8), что изменение температуры не сказывается на их величине, что подтверждает твердофазный механизм процесса. Миграция ионов значительно затруднена по сравнению с электрохимической реакцией переноса заряда при образовании li/xCg по уравнению (4). Низкие значения емкости Сда (0,35±0,1 мкФ/см2) указывают на большую толщину двойного электрического слоя, что согласуется с представлением об образовании на электроде ТЭЛ пленки, проводящей по ионам лития. Сопротивление переноса заряда ty, лежащее в пределах (3,5±.0,6) Ом-см, указывает на сравнительно высокую плотность тока обмена основной токообразующей реакции(4).
В пятой главе дан анализ анодных хронопотенциограмм lixC/ ектродов, сформированных в матрицах из KB и КТ. В обоих случаях АХПГ фиксируют две задержки потенциала (рис.9), однако длина задержек зависит как от величины катодного потенциала формирования слоя liCg. так и от природы УГМ (рис.10). Для КТ-матрицы переходное время анодного растворения лития из lixC6 электрода возрастает по сравнению с КВ-матрицей примерно в 6 раз при 293 К, что можно объяснить более развитой системой пор и более высокой концентрацией дефектов в структуре КТ. Сравнительная оценка емкости, отдаваемой l-ixCg(KT) электродами при разряде (табл.1), подтвердила, что наиболее энергоемкиш являются электроды, сформированные при Е«. = -3,1...-3,25 В. Рассчитанные значения отепени интеркаляции «х» лития (табл.2) указывают на формирование соединений нестехиометрического состава, что согласуется с литературными данными. Величина «х», рассчитанная по емкости, сообщаемой электроду при заряде fl, примерно в 6 раз превышает рассчитанную по емкости Q, отдаваемой электродом при гальваническом разряде. Это указывает на неполное извлечение лития из 1<гхСд(УГМ) электрода и наличие остаточных межслоевых соединений в структуре электрода. Исследование влияния времени катодной поляризации при выбранном Щ. = = -3,1 В на переходное время процесса анодного растворения лития (табл.3) показало, что оптимальное время формирования стабильного И- Cg(KT) электрода с высокой удельной емкостыо(74,7 мА'Ч/г) -2ч. Начальная концентрация литиевых дефектов мало зависит от температуры: при увеличении температуры от 293 К до 323 К С& меняется от 0,034 до 0,041 моль/см3. Более того, коэффициент диффузии постепенно уменьшается от 4,05-10 (293К) до 3,00-Ю-11 см2/с (323К). Это позволяет рекомендовать вести формирование lixCg электрода при 293 К.
Шестая глава содержит данные по циклируемости HxCg электродов как в свободном объеме раствора 1йС104, так и в условиях работы макета источника тока системы lixCg/ii.C10^, ПК + + ДМЭ(1:1)/СдСг03 . Циклирование в потенциодинамическом режиме показало, что в области потенциалов -2,0...-1,8 В на lixCg(KB) электроде фиксируется минимум плотности тока. Величина предельного тока снижается от 8,5 (1 цикл) до 2.5 мА/см^(25 цикл). Это мощно объяснить окислением поверхности электрода и утолщением от цикла к циклу пассивирующей ионопроводящей пленки. Скорость процесса на катодном полуцикле изменяется мало, а ход ЦК практически не имеет гистерезиса.
В случае lxCg(KT)электрода пик тока появляется, напротив, в катодной области (-2,6...-2,8 В). Полученные данные характеризуют поведение внедренного лития в поверхностных слоях 1-iCg электрода: глубина проникновения диффузионной волны в заданных условиях (ДЕ=1В, t н,53д = l01Dc) на первом цикле не превышала 1 мкм, а величина CS, не зависела от количества циклов заряд-разряд и составляла (1,2 ± 0,2)40~4 моль. Циклирование в гальваностатическом режиме показало, что емкость, отдаваемая электродом, к пятому циклу снижается на 20 %, к 20 - на 40 %, но остается достаточно высокой и составляет ~ 43 мА-ч/г. При последующем циклировании практически не изменяется.
Гальваностатический разряд lixCg электрода в условиях работы макета источника тока системы lixCg/ltC10x, ПК + ДМЭ (1:1)/СдСг0д показал, что с увеличением температуры в диапазоне 293-323 К процессы интеркаляции возрастает напряжение разомкнутой цепи %пТ7 , f/lU-. тт /й Т) к, 8 мЗ/град. Получен, согласно Шехтману, указывают на отсутствие саморазряда в исследуемой электрохимической системе. Однако в конце разряда сопротивление макета источника тока возрастает в 15-30 раз, по сравнению с начальным, что согласуется с представлением о затрудненности диффузии носителей заряда через растущий в толщину проводящий по ионам 1г+ слой продуктов. Удельные электрические характеристики макета ЛА разрабатываемой системы приведены в табл.4.
Выводы
1. Получены новые данные по исследованию влияния состава раствора (природы растворителя, природы аниона), потенциала длительности катодной поляризации и температуры на механизм и кинетику процесса интеркаляции-деинтеркаляции лития в структуре графита. Установлено, что наиболее энергоемкие соединения образуются при катодной обработке графита в растворе SC; уменьшение происходит в ряду ItS1л,С104 > li-HS04» liCl.
2. Показано, что на первом этапе литизации в структуре графита образуются соединения внедрения типа lixCgA„, которые накапливаются в верхних слоях электрода, с течением времени в глубине электрода кристаллизуется фаза KxCg СП стадия интеркаляцин). Найдено, что энергия активации образования lijCgAy и lixCg составляет соответственно 13,4 и 6,4кДж/моль, что указывает на диффузионные затруднения процессов. Начальная концентрация литиевых дефектов в диапазоне температур 293...323 К составляет 0,034...О,041 моль/см3; коэффициент диффузии (3,56 ± 0,5)- Ю-11cmVc Установлено, что lixCg электроды на основе карбонизованных углеграфитовых материалов, полученные по методу катодного внедрения, отличаются высокими удельными и разрядными характеристиками, что определяется особенностями их структуры и наличием в ней свободных валентных зон, играющих роль электронных ловушек, обеспечивающих высокую скорость диффузии лития в глубь электрода и стабильность интеркалатов lixC6(KB) и KjCgOCT).
4.Установлено, что в выбранной области потенциалов, температур, длительности электролиза на УШ электродах образуются две фазы l-ixCg, различающиеся содержанием лития.
5.Найдено, что формирующаяся в области потенциалов -3,05... -3,25 В фаза характеризуется степенью интеркаляции «х» = = 1.2±0,1 и обеспечивает более высокую разрядную емкость.
6.Показано, что lixCg электроды, сформированные в УГМ матрице по методу катодного внедрения, обладают хорошей циклируемостью. Снижение разрядной емкости на начальный цикл емкость стабилизируется составляете ГмА • ч/г.
Испытания CgdCT) электродов в макетах источника тока системы KD/HCl ПК + ДМЭ(1:1)/С8Сг03 показали, что удельная разрядная емкость макета составляет при 293 К ~ 156 мА«ч/г активного материала, при повышении температуры до 318 К она возрастает до 280 мА-ч/г; среднее напряжение разряда 3,4...3,2 В удельная энергия 491...955 мВт.ч/г.
8. Совокупность проведенных исследований и макетных испытаний аккумулятора позволяет сформулировать технологические рекомендации для получения анодов литий-ионных аккумуляторов:
-потенциал катодной обработки -3,10...-3,25 В ;
-время катодной поляризации 2,0...2,5 ч ;
-температура 293 ± 3 К;
-электролит HSC/V или 1гС104 в ПК + ДМЭ(1:1) .
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: