Оценка эффективности циклирования лития на электродах из композиционных материалов Al/CuAl2 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХИМИЯ

УДК 544.643

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛИРОВАНИЯ ЛИТИЯ НА ЭЛЕКТРОДАХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Al/CuAl2

© 2006 г. И.В. Поддубецкая, В.В. Озерянская, Т.Г. Лупейко

Cyclic voltamperometry is used to investigate, on a comparative basis, lithium cycling efficiency at electrodes made of pure aluminium and of Al/CuAl2 composite materials of different composition. It is established that incorporation of microparticles of the intermetallide compound into aluminium matrix makes toughness properties of the electrode better and promotes increasing the efficiency of lithium cycling.

Ранее [1] нами был осуществлен подбор качественного и количествен -ного составов, а также разработаны технологии получения композиционных металлсодержащих материалов (КММ) типа «металл/интерметаллид» на основе алюминия, перспективных для испытания в качестве отрицательных электродов литий-ионных аккумуляторов [2].

Цель настоящей работы - сравнительная оценка эффективности цик-лирования (многократного внедрения-растворения) лития на электродах из чистого алюминия и КММ Al/CuAl2 (таблица).

Состав и особенности технологии получения КММ Al/CuAl2 [1]

№ Компоненты КММ, вес. % Использованные технологические операции

Al CuAl2 стекло № 1* стекло № 2* Холодное прессование Горячее прессование (спекание)

1 90,0 10,0 - - + -

2 90,0 10,0 - - + +

3 89,5 9,5 1,0 - + +

4 89,5 9,5 - 1,0 + +

5 70,0 30,0 - - + -

6 70,0 30,0 - - + +

7 69,5 29,5 1,0 - + +

8 69,5 29,5 - 1,0 + +

9 60,0 40,0 - - + -

10 60,0 40,0 - - + +

11 59,5 39,5 1,0 - + +

12 59,5 39,5 - 1,0 + +

* Состав, мол. %: стекло № 1 - В2О3 (50), №20 (20), РЬО (15), 8102 (15); стекло № 2 - В2О3 (9,5), №20 (22), РЬО (6), 8102 (53), СаО (6,5), СиО (3).

Электрохимические испытания проводили в стеклянной трехэлектрод-ной ячейке с неразделенными катодным и анодным пространствами.

46

Электролитом служил 1 М ЬЮЮ4 в пропиленкарбонате, вспомогательным электродом - Ы, электродом сравнения - хлорсеребряный электрод ЭВЛ-1М3.1 в насыщенном растворе КС1. Циклирование лития осуществляли с помощью потенциостата ПИ-50-1.1 на протяжении 50 циклов в диапазоне потенциалов от 0 до 2 В относительно литиевого электрода сравнения со скоростью развертки 10 мВ/с. Значение потенциала литиевого электрода относительно хлорсеребряного в рабочем растворе составляло (-3,00±0,02) В. Величины зарядной (<2к) и разрядной (<2а) емкости измеряли кулоно-метрическим интегратором ИПТ-1. Для микроскопических исследований использовали микроскоп МБС-9 с максимальным увеличением в 100 раз. Эффективность циклирования лития оценивали по величинам коэффициента эффективности, рассчитанным по формуле К^фф = Qа|Qк.

Сравнительный анализ полученных экспериментальных данных (рисунок) свидетельствует о том, что наиболее высокими значениями коэффициента эффективности циклирования лития среди всех исследованных образцов характеризуется КММ № 1 - с содержанием СиА12 10 вес. %, полученный методом холодного прессования (таблица). При этом дополнительная термическая обработка материала, а также введение в него различных связующих добавок не оказывают позитивного влияния на основной параметр циклирования (рисунок, КММ № 2-4).

Увеличение доли интерметаллического соединения в образцах до

30 вес. % приводит к снижению величины К^фф , что частично устраняется дополнительным применением горячего прессования (рисунок, КММ № 5-6). Значительного повышения эффективности циклирования лития на композиционных электродах данного состава удается достичь использованием стеклофазы № 2 (рисунок, КММ № 8).

На образцах с содержанием СиА12 40 вес. % введение стеклообразую-щих добавок, напротив, способствует заметному уменьшению величины

Кффф, тогда как применение операции спекания позволяет существенно

улучшить характеристики циклирования (рисунок, КММ № 10-12).

Самые низкие значения коэффициента эффективности циклирования лития, сопровождающиеся флуктуациями в ходе процесса, зарегистрированы в случае КММ № 9 (рисунок, таблица).

Микроскопические исследования поверхности всех электродов, проведенные после 50 циклов внедрения-растворения лития, однозначно свидетельствуют о более высокой морфологической стабильности композиционных материалов по сравнению с чистым алюминием.

Таким образом, результаты электрохимических испытаний показали, что введение в алюминиевую матрицу микрочастиц интерметаллического соединения СиА12 повышает прочностные характеристики электрода в ходе многократного внедрения-растворения лития, а в ряде случаев способствует улучшению эффективности процесса циклирования. При этом

существенное влияние на электрохимическое поведение композиционных электродов А1/СиА12 оказывают как массовая доля интерметаллида в материале, так и особенности технологии его получения.

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

КэффЬ1

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43

Al

КММ № 1 КММ № 2 КММ № 3 КММ № 4

46 49

Номер цикла

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

КэффЬ!

ilQUQflHH

Al

КММ № 5 КММ № 6 КММ № 7 КММ № 8

Номер цикла

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

КэффЬ!

КММ № 9 КММ № 10 КММ № 11 КММ № 12

46 49

Номер цикла

Зависимость коэффициента эффективности циклирования лития на электродах из А1 и композиционных материалов Л1/СиЛ12 от числа циклов

Литература

1. Поддубецкая И.В., Озерянская В.В., Лупейко Т.Г., Трубников И.Л., Щербакова Е.Г., Михайлова М.А. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2004. Приложение. № 2. С. 54-57.

2. Скундин А.М., Ефимов О.Н., Ярмоленко О.В. // Успехи химии. 2002. Т. 71. № 4. С. 378-397.

Ростовский государственный университет,

Донской государственный технический университет 8 февраля 2006 г