Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время до 90 7« исследований в области литиевых химических источников тока направлены на разработку литиевых аккумуляторов. Это связано прежде всего с такими неоспоримыми преимуществами IA, как высокая удельная энергия (80...150 Вт.ч/кг), широкий диапазон рабочих температур (.-30...+60 С), герметичность и возможность эксплуатации в любом пространственном положении, большой срок хранения (.более 5 лет) при минимальном саморазряде, устойчивость к магнитному и рентгеновскому излучениям, использование неде-фицигного, сравнительно дешевого сырья. Разработка ЛА, сочетающего в себе высокую удельную энергоемкость, мощность, длительный срок хранения и большой ресурс наработки в циклах, остается до сих пор сложной и не решенной задачей. Это сопряжено с решением ряда научных и технологических проблем, среди которых одной из главных является проблема обратимого анода. Вследствие высокой химической активности лития при циклярова-нии происходит образование дендритов и истощение электролита. В этой связи очень перспективными оказались сплавы лития с алюминием: высокий отрицательный потенциал, широкий диапазон концентраций лития в сплаве, возможность получения сплава по методу катодного внедрения, высокая скорость диффузии лития в алюминиевой матрице. Однако недостаточная морфологическая стабильность li-Al отрицательно сказывается на циклируемости электрода. В связи с этим исследование влияния различных факторов на обратимую работу liAl/lv+ электрода и улучшение его циклируемости имеет научную и практическую значимость. Наряду с влиянием состава раствора, природы растворителя, величины потенциала на электрохимическую активность электрода можно воздействовать и через изменение объемных свойств металла электрода. Модифицирование объемных свойств 1ІА1 электрода возможно путем катодного внедрения третьего компонента (металла переходных рядов) в алюминиевую матрицу. Таким образом, тема работы актуальна.
Работа выполнена в рамках НТП ГК РФ "Литиевые аккумуляторы" и "Товары народного потребления", а также в соответствии с договором о творческом содружестве с Институтом Электрохимии имени А.Н.Фрумкина РАН по проблеме "Электрохимия"(п.2.6.10.1
Координационного плана).
Цель работы. Изучение закономерностей электрохимического поведения Н-А1 электрода, модифицированного третьим компонентом Сметаллы переходного ряда: Яп, CoL ,Рв,Со,Сг,Мп), при цитировании в неводном апротонном органическом растворе литийсо-дерясащего электролита.
Задачи исследования:
изучить влияние потенциала и длительности катодной поляризации на стабильность формируемых в верхних слоях А1 матрицы-электрода сплавов при внедрении металлов п,Се(. ,Рв,Со,Сг, Мп из водных растворов их солей и структуры этих слоев;
изучить-'кинетические закономерности процессов катодного внедрения и анодного растворения лития на АКМе) электродах;
изучить структуру поверхности liAlCMe) электродов и состав фаз;
изучить влияние третьего компонента на кинетику и механизм фазовых превращений на li-AKMe) электроде при цитировании;
разработать технологические рекомендации по изготовлений ІіАКМе) электродов и апробировать их в опытных образцах литиевых аккумуляторов системы 1ІАіСМе)/іі.СЮ4,ПК+ДМЗ/СдСг03 в условиях многократкого циклирования.
Научная новизна:
получены новые экспериментальные данные по влиянию природы третьего компонента в алюминиевой матрице на кинетику и механизм катодного внедрения лития;
изучен состав фаз, образующихся в системе 1і--А1-Ме(Ме: п,С<± ,Рв,Мп,Со,Сг) при катодном внедрении лития в модифицированную по методу катодного внедрения алюминиевую матрицу;
получены новые данные о влиянии циклирования на электрические характеристики liAl(Me) электрода и о характере изменения микроструктуры поверхности и состава фаз при цитировании;
предложен новый подход к оценке влияния третьего компонента на кинетику накопления лития в АКМе) матрице на стадии образования твердого раствора и на стадии образования и роста зародышей р -1ІА1',
получены новые данные о начальной концентрации литиевых
дефектов в АКМе-) электроде и об энергии активации процессов
образования твердого раствора 1і^и.)и фази Jb-ltAl в присут
ствии третьего компонента; .
- углублены представления о структурных и.фазовых превращениях в объеме металла ІіАКМе) электрода при катодном внедрении и анодном растворении лития в присутствии третьего компонента.
Практическая значимость.
Показана возможность направленного воздействия на кинетику катодного внедрения лития и анодного его растворения,на состав и структуру образующихся фаз в А1 матрице-введением третьего компонента путем катодного внедрения из водных растворов солей.
Обоснован выбор потенциала и длительности катодной поляризации для процесса внедрения третьего компонента, обеспечивающих повышенную стабильность и циклируемость ІіАІ(Ме) электродов в условиях эксплуатации.
Впервые получены данные по циклнрованию lvAl(Me) электродов, модифицированных третьим компонентом, в опытных образцах ЛА рулонной конструкций системы І-LAlCMe)/НСЮ4, ПК+ДМЭ/ CgCrOg; сформулированы технологические рекомендации.
Представлены данные по циклируемости опытных образцов ЛА рулонной конструкции с UAl(Me) электродами. Использование рулонной конструкции и liAltMe) электродов позволяет повысить циклируемость ЛА в несколько раз, расширить диапазон разрядных токов и рабочих температур.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях "Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах"СМосква,199б); "Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств"ССаратов, 1994); на Всероссийских конференциях "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии"(.Саратов, 1997);"Современные электрохимические технологии СЭХТ>96"ССаратов,1996); "Совериенствование технологии гальнанических покрытий"(Киров, 1994,1997); "Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике"СПенза,1995); а также на конференции молодых ученых АО ШИХИТССаратов, 1995) и мехкафедральном научном се-
минаре по электрохимии (ТИ СТТУ,1995-1997).
Опытные образцы литиевых аккумуляторов прессованной и рулонной конструкции экспонировались на выставках "Вузы России-
- народному хозяйству","Товары народного потребления"(Москва,
1994-1996Г.Г.) ; рекламировались на совещаниях ученых стран
СНГ по литиевым источникам токаСЕкатеринбург,1994; Саратов,
1996).
Результаты работы применяются в учебном процессе. Изданы методические указания "Нанесение слоев сплавов методом катодного внедрения" ССГТУ.1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том -числе получен 1 патент РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемой литературы из И2 наименований и приложения. Изложена на 20? страницах машинописного текста и содержит №8 рисунков ж 37 таблиц.
На защиту выносятся:
кинетические закономерности катодного внедрения и анодного растворения лития из А1 матрицы электрода в присутствии третьего компонента;
влияние третьего компонента на структурные превращения и состав фаз на luAKMe) электроде;
кинетические закономерности и механизм фазовых превращений на ІІАКМе) электроде при циклировании;
технологические рекомендации по изготовлению НАКМе) электродов и результаты их апробации в опытных образцах литиевых аккумуляторов системы liAl/UC104, ПК + ДМЭ/СдСгОд.
Похожие диссертации на Кинетика реакций и технологические аспекты модифицирования свойств 1lA1 электрода
