Труды КНЦ вып.8 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2017(8))

Сохранение и накопление энергии является важнейшей научно-технической задачей. Наиболее перспективным быстро развивающимся направлением автономной энергетики являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), что обусловлено их высокой удельной энергоемкостью (150-190 Вт-ч-кг-1) по сравнению с другими типами энергоаккумулирующих устройств [1]. Литий-ионные аккумуляторы используются в различных портативных электронных устройствах (мобильные телефоны, персональные компьютеры), а также приборах медицинского назначения. Кроме того, бурное развитие наблюдается на рынке электротранспорта и приборов для сохранения «зеленой» (ветровой и солнечной) энергии. Современное мировое производство литий-ионных аккумуляторов исчисляется миллиардами штук в год [2]. Однако развитие современной техники требует создания автономных источников энергии с повышенными рабочими параметрами. С целью повышения емкостных и мощностных характеристик аккумуляторов в последние годы проводятся интенсивные исследования по разработке новых по составу и структуре электродных материалов и новых методов их синтеза. В качестве перспективных рассматриваются катодные материалы на основе ортофосфатов лития и переходных металлов [3]. Одним из наиболее освоенных катодных материалов литий-ионных аккумуляторов на основе данного класса соединений является ортофосфат железа и лития состава LiFePO4 со структурой оливина. Однако, несмотря на относительно высокую удельную емкость, стабильность структуры в процессах заряда-разряда, LiFePO 4 обладает низкими значениями электронной проводимости и коэффициента диффузии катионов Li+, а также относительно невысоким рабочим потенциалом. Для повышения рабочих характеристик представляют интерес структурные аналоги фосфата железа и лития - ортофосфаты состава LiMPO4 (M - Mn, Co, Ni): литий-марганец-фосфата LiMnPO4 литий- кобальт-фосфата LiCoPO4 и литий-никель-фосфата LiNiPO4. Окислительно-восстановительные пары Mn3+/Mn2+, Co3+/Co2+ и Ni3+/Ni2+ имеют больший окислительно-восстановительный потенциал относительно пары Li/Li+ по сравнению с потенциалом пары Fe3+/Fe2+. В таблице 1приведены основные свойства этих катодных материалов [4]. Таблица 1. Свойства LiFePO4, LiMnPO4, LiCoPO4 и LiNiPO4 [4]. Катодный материал Напряжение разряда vs. Li/Li+, В Теоретическая емкость, мАч/г Удельная энергия, Вт-ч Плотность, г/см3 Стоимость кВт/ч энергии, $US LiFePO4 3.4 170 578 3.6 158 LiMnPO4 4.1 171 701.1 3.4 150 LiCoPO4 4.8 167 801.6 3.7 142 LiNiPO4 5.1 167 851.7 3.9 123 Катодные материалы на основе LiMnPO4, LiCoPO4 и LiNiPO4 характеризуются сравнимой электрохимической емкостью и высоким значением удельной энергии. Однако широкое применение этих материалов ограничено особенностями их получения, структурной неустойчивостью при деинтеркаляции Li и присущей им низкой ионной и электронной проводимостью при комнатной температуре. 54