Аношина Анна. Исследование влияния температуры синтеза на свойства катодного материала LiMn0.75Fe0.25PO4

Научный руководитель — Э.В. Жарикова, ХФ МГУ

В современном мире улучшение жизни человечества и постоянный прогресс приводят к росту потребляемой энергии. Невозобновляемые источники энергии, такие как нефть, газ и уголь, до сих пор занимают передовые позиции, несмотря на их ограниченность, растущую стоимость и существенное влияние на экологию. Необходимость решить данные проблемы привела к появлению альтернативных источников энергии – возобновляемых. Полный переход на такие источники в данный момент не представляется возможным из-за их непостоянства и зависимости от многих факторов окружающей среды. Люди нуждаются в возможности пользоваться энергией в любое время при необходимости. Вследствие этого появляется потребность в накоплении энергии, что осуществляется конвертированием химической и электрической энергий. Наиболее популярными источниками на данный момент являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Увеличение использования ЛИА требует повышения их мощности, емкости и долговечности.

Цель работы: определить оптимальную температуру сольвотермального синтеза LiMn0.75Fe0.25PO4

Задачи работы:

  • Получение образцов LiMn75Fe0.25PO4, при разных температурах: 190°C, 200°C и 210°C;
  • Исследование полученных образцов методом рентгенофазового анализа, электронной микроскопии;
  • Сравнение полученных результатов и результатов электрохимических исследований.

Экспериментальная часть:

Навески веществ были аккуратно взвешены с помощью электронных весов. В тефлоновых стаканах был растворен LiOH·Н2О в смеси дистиллированной воды и диэтиленгликоля. Далее к раствору LiOH был c помощью пипетатора по каплям добавлен предварительно отмеренный необходимый объем H3PO4:

3LiOH + H3PO4 → Li3PO4↓ + 3H2O

Полученный осадок фосфата лития был выдержан на плитке при постоянном перемешивании с помощью магнитной мешалки 1 час при температуре 70°C. Далее были добавлены предварительно растворенные в минимальном количестве воды MnSO4×H2O и FeSO4×6,1H2O и аскорбиновой кислоты для создания восстановительной среды:

Li3PO4 + 0,75MnSO4 + 0,25FeSO4 → LiMn0,75Fe0,25PO4 + Li2SO4

Стаканы были закрыты и помещены в предварительно разогретые до 190°C, 200°C и 210°C стальные реакторы. Синтезы проводились в течение 3 часов. По окончании реакции реакторы резко охлаждались в очень холодной воде. Полученные осадки отделялись от растворов центрифугированием. Вещества последовательно промывалось водой и спиртом. Далее к осадкам добавлялось 15% глюкозы от массы осадка, растворенной в спирте. Полученная смесь помещалась в гомогенизатор на несколько минут. Осадки высушивались в вакуумном сушильном шкафу в течение 2 часов. После этого осадки отжигались в трубчатой печи в атмосфере аргона при температуре 650°C 5 часов. Полученные образцы исследовались методом рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии.

Результаты:

В результате проведенной работы были получены 3 катодных материала LiMn0.75Fe0.25PO4 при разных температурах. Был исследован фазовый состав образцов. Во всех образцах наблюдалось образование основной фазы LiMnPO4, однако в образцах, полученных при температуре 190°C и 200°C, были обнаружены примеси фосфата лития, в то время как в образце, полученном при температуре 210°C фосфат лития отсутствовал, однако было обнаружено небольшое количество сульфата лития, который видимо остался в образце даже после промывки. Морфология образцов была определена методом сканирующей электронной микроскопии. Наблюдавшийся размер частиц для всех образцов составлял меньше 100 нм, форму полученных частиц определить не удалось. Для полученных образцов на кафедре Электрохимии МГУ им. М.В. Ломоносова были определены электрохимические характеристики материалов. Емкость образца, полученного при 210°С оказалась выше остальных образцов (150mAh/g). Образец также продемонстрировал большую стабильность при циклировании.

Таким образом, в результате работы была определена оптимальная температура сольвотермального синтеза материала LiMn0,75Fe0,25PO4.

Список литературы

  1. Скундин А.М., Ефимов О. Н., Ярмоленко О. В. // Современное состояние и перспективы развития исследований литиевых аккумулятором. — Успехи химии, (2002), 378–398.
  2. Кулова Т. Л., Скундин А. М. // От литий-ионных к натрий-ионным аккумуляторам. // Электрохимическая энергетика, (2016), 122–150.
  3. Yuanfu Deng, Chunxiang Yang, Guohua Chen // Recent Advances of Mn-Rich LiFe1-yMnyPO4 (0.5 ≤ y < 1.0) Cathode Materials for High Energy Density Lithium Ion Batteries // Advanced Science News, (2017), 1-29.
Перейти к содержимому