Литий-ионды аккумуляторлар
1.1 Аккумуляторлар туралы жалпы түсінік
1.2 Литий.ионды аккумуляторлар және олардың сипаттамалары
1.2.2 Литий.ионды аккумуляторлардың құрылысы
1.2.3 Литий.ионды аккумуляторлардың басты кемшіліктері
1.3 Литий.күкірт батареялары және олардың электрохимиясы
1.3.1 Литийлі анод және литий.күкірт батареяларына арналған электролиттер
1.3.2 Күкіртті катод және ток өткізгіш полимерлер
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1.2 Литий.ионды аккумуляторлар және олардың сипаттамалары
1.2.2 Литий.ионды аккумуляторлардың құрылысы
1.2.3 Литий.ионды аккумуляторлардың басты кемшіліктері
1.3 Литий.күкірт батареялары және олардың электрохимиясы
1.3.1 Литийлі анод және литий.күкірт батареяларына арналған электролиттер
1.3.2 Күкіртті катод және ток өткізгіш полимерлер
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Аккумулятор (лат. accumulator — жинақтауыш) – химиялық реакция энергиясын электр энергиясына айналдыратын аспап; ол электр және су энергиясын гальвани батареяларының көмегімен жинайды. Ол жиналатын энергия түріне сәйкес электр аккумуляторы, гидравликалық аккумулятор, пневматикалық аккумулятор, жылу аккумуляторы, бу аккумуляторы және инерциялық аккумулятор болып бөлінеді.
Электр аккумуляторы — электр энергиясын жинап (химиялық энергияға айналдыру арқылы), қажет болғанда сыртқы тізбекке бере алатын химиялық ток көзі. Ол ішінде электролит (қышқыл не сілті) және электродтары бар оқшаулағыш материалдан (эбонит, шыны, пластмасса) жасалған ыдыстан тұрады. Электр аккумуляторы тұрғылықты және тасымалды болып бөлінеді. Тұрғылықты аккумулятор электр, радио, телефон және телеграф стансасында тұрақты ток көзі ретінде, тасымал аккумулятор көшпелі қондырғыларда (көшпелі радиоаппаратураларда, автомобильдерде, ұшақтарда, электромобильдерде, т.б.) қолданылады [1].
Электр аккумуляторы — электр энергиясын жинап (химиялық энергияға айналдыру арқылы), қажет болғанда сыртқы тізбекке бере алатын химиялық ток көзі. Ол ішінде электролит (қышқыл не сілті) және электродтары бар оқшаулағыш материалдан (эбонит, шыны, пластмасса) жасалған ыдыстан тұрады. Электр аккумуляторы тұрғылықты және тасымалды болып бөлінеді. Тұрғылықты аккумулятор электр, радио, телефон және телеграф стансасында тұрақты ток көзі ретінде, тасымал аккумулятор көшпелі қондырғыларда (көшпелі радиоаппаратураларда, автомобильдерде, ұшақтарда, электромобильдерде, т.б.) қолданылады [1].
1 Н.Нұрахметов, А.Ниязбаева, Р.Рысқалиева, Н.Далабаева Қазақ тілі терминдерінің салалық ғылыми түсіндірме сөздігі: Химия.— Алматы: "Мектеп" баспасы, 2007. — 336 бет.
2 Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
3 Linda F. Nazar, Marine Cuisinier, and Quan PangLithium-sulfur batteries // MRS Bulletin. – 2014. – №39. – Р. 436-442.
4 Scrosati B., GarcheJ. Lithium batteries: Status, prospects and future // Journal of Power Sources. - 2010. - №195. - P. 2419-2430
5 Yongguang Zhang, Yan Zhao and ZhumabayBakenov A novel lithium/sulfur battery based on sulfur/graphene nanosheet composite cathode and gel polymer electrolyte // Nanoscale Research Letters. – 2014. – 9:137.
6 Yongguang Zhang, ZhumabayBakenov, Yan Zhao, AishuakKonarov, The Nam Long Doan, Kyung Eun Kate Sun, AssiyaYermukhambetova, P. Chen Effect of nanosized Mg0.6Ni0.4O prepared by self-propagating high temperature synthesis on sulfur cathode performance in Li/S batteries // Powder Technology. - 2013. - №235. - P. 248–255
7 Guiyin Xu, Bing Ding, Jin Pan, Ping Nie, Laifa Shen and Xiaogang Zhang High Performance Lithium-Sulfur Batteries: Advances and Challenges // DOI: 10.1039/C4TA02097A.
8 Ya-Xia Yin, Sen Xin, Yu-GuoGuo and Li-Jun Wan Lithium–Sulfur Batteries: Electrochemistry, Materials, and Prospects // Angew. Chem. Int. Ed. - 2013. - №52 - P. 13186 – 13200.
9 Yan Zhao, Yongguang Zhang, ZhumabayBakenov, P. ChenElectrochemical performance of lithium gel polymer battery with nanostructured sulfur/carbon composite cathode // Solid State Ionics. – 2013. - №234. – P. 40–45.
10 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenovA simple approach to synthesize nanosized sulfur/graphene oxide materials for high-performance lithium/sulfur batteries // Ionics. - 2014. – № 20. – P. 1047–1050, DOI 10.1007/s11581-014-1165-5.
11 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, Denise Gosselink, P. ChenPoly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)/ poly(methylmethacrylate) /nanoclay composite gel polymer electrolyte for lithium/sulfur batteries // Solid State Electrochem.DOI 10.1007/s10008-013-2366-y.
12 Yongguang Zhang, ZhumabayBakenov, Yan Zhao, AishuakKonarov, The Nam Long Doan, Muhammad Malik, Todd Paron, P. Chen One-step synthesis of branched sulfur/polypyrrole nanocomposite cathode for lithium rechargeable batteries // Journal of Power Sources. – 2012. - №208. – P. 1–8.
13 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, Moulay-RachidBabaa, AishuakKonarov, Cong Ding, and P. ChenEffect of Graphene on Sulfur/Polyacrylonitrile Nanocomposite Cathode in High Performance Lithium/Sulfur Batteries // Journal of The Electrochemical Society. – 2013. – № 160(8). – P. 1194-1198.
14 YongguangZhang,Yan Zhao, AssiyaYermukhambetova, ZhumabayBakenov and P.ChenTernary sulfur/polyacrylonitrile/Mg0.6Ni0.4O composite cathodes for high performance lithium/sulfur batteries // J.Mater.Chem.A. – 2013. – № 1. – P. 295–301.
15 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, AishuakKonarov, P. Preparation of novel network nanostructured sulfur composite cathode with enhanced stable cycle performance// Journal of Power Sources. – 2014. –№ 270. – P. 326 – 331.
16 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, MadinaTuiyebayeva, AishuakKonarov, P. Chen Synthesis of Hierarchical Porous Sulfur/Polypyrrole/Multiwalled Carbon Nanotube Composite Cathode for Lithium Batteries //ElectrochimicaActa. - 2014. –№ 143. – P. 49–55.
17 Lin Chen, Leon L. ShawRecent advances in lithium/sulfur batteries // Journal of Power Sources, 2014. –№ 267. – P. 770-783.
18 Andrea Fedorková, RenátaOriňáková, OndřejČech, Marie Sedlaříková New Composite Cathode Materials for Li/S Batteries: A Review // Int. J. Electrochem. Sci. – 2013.– №8.– P. 10308 – 10319.
19 Hong Cheng and Shengping Wang Recent progress in polymer/sulphur composites as cathodes for rechargeable lithium–sulphur batteries // J. Mater. Chem. A. – 2014. – №2.– P. 13783-13794.
20 Ya Liu, Jun Zhang, Xiaochun Liu, JinxinGuo, Lifei Pan, Hongfei Wang, Qingmei Su, Gaohui Du Nanosulfur/ polyaniline/ graphene composites for high-performance lithium–sulfur batteries:Onepot in-situ synthesis // Materials Letters. – 2014. – №133.– P. 193-196.
21 Jaroslav Stejskal, Irina Sapurina, Jan Prokes, Josef Zemek In-situ polymerized polyaniline films // Synthetic Metals. –1999. – №105.– P. 195–202.
22 AishuakKonarov, Denise Gosselink, The Nam Long Doan, Yongguang Zhang, Yan Zhao, P. Chen Simple, scalable, and economical preparation of sulfur-PAN composite cathodes for Li/S batteries // Journal of Power Sources. – 2014. – №259.– P. 183-187.
23 The Nam Long Doan, MahmoudrezaGhaznavi, Yan Zhao, Yongguang Zhang, AishuakKonarov, Mikhail Sadhu, RavichandraTangirala, P. Chen Binding mechanism of sulfur and dehydrogenated polyacrylonitrile in sulfur/polymer composite cathode // Journal of Power Sources. – 2013. – №241.– P. 61-69.
24 Sheng S. Zhang Understanding of Sulfurized Polyacrylonitrile for Superior Performance Lithium/Sulfur Battery // Energies. –2014. – №7.– P. 4588-4600.
25 Tae-GyungJeong, Young Hoon Moon, Ho-Hwan Chun, Hyung Sun Kim, Byung Won Cho and Yong-Tae Kim Free standing acetylene black mesh to capture dissolved polysulfide in lithium sulfur batteries // Chem. Commun. – 2013. – №49.– P. 11107-11109.
26 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenovc, MadinaTuiyebayeva, AishuakKonarov, P. Chen Synthesis of Hierarchical Porous Sulfur/Polypyrrole/Multiwalled Carbon Nanotube Composite Cathode for Lithium Batteries // ElectrochimicaActa. – 2014. – №143.– P. 49–55.
2 Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
3 Linda F. Nazar, Marine Cuisinier, and Quan PangLithium-sulfur batteries // MRS Bulletin. – 2014. – №39. – Р. 436-442.
4 Scrosati B., GarcheJ. Lithium batteries: Status, prospects and future // Journal of Power Sources. - 2010. - №195. - P. 2419-2430
5 Yongguang Zhang, Yan Zhao and ZhumabayBakenov A novel lithium/sulfur battery based on sulfur/graphene nanosheet composite cathode and gel polymer electrolyte // Nanoscale Research Letters. – 2014. – 9:137.
6 Yongguang Zhang, ZhumabayBakenov, Yan Zhao, AishuakKonarov, The Nam Long Doan, Kyung Eun Kate Sun, AssiyaYermukhambetova, P. Chen Effect of nanosized Mg0.6Ni0.4O prepared by self-propagating high temperature synthesis on sulfur cathode performance in Li/S batteries // Powder Technology. - 2013. - №235. - P. 248–255
7 Guiyin Xu, Bing Ding, Jin Pan, Ping Nie, Laifa Shen and Xiaogang Zhang High Performance Lithium-Sulfur Batteries: Advances and Challenges // DOI: 10.1039/C4TA02097A.
8 Ya-Xia Yin, Sen Xin, Yu-GuoGuo and Li-Jun Wan Lithium–Sulfur Batteries: Electrochemistry, Materials, and Prospects // Angew. Chem. Int. Ed. - 2013. - №52 - P. 13186 – 13200.
9 Yan Zhao, Yongguang Zhang, ZhumabayBakenov, P. ChenElectrochemical performance of lithium gel polymer battery with nanostructured sulfur/carbon composite cathode // Solid State Ionics. – 2013. - №234. – P. 40–45.
10 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenovA simple approach to synthesize nanosized sulfur/graphene oxide materials for high-performance lithium/sulfur batteries // Ionics. - 2014. – № 20. – P. 1047–1050, DOI 10.1007/s11581-014-1165-5.
11 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, Denise Gosselink, P. ChenPoly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)/ poly(methylmethacrylate) /nanoclay composite gel polymer electrolyte for lithium/sulfur batteries // Solid State Electrochem.DOI 10.1007/s10008-013-2366-y.
12 Yongguang Zhang, ZhumabayBakenov, Yan Zhao, AishuakKonarov, The Nam Long Doan, Muhammad Malik, Todd Paron, P. Chen One-step synthesis of branched sulfur/polypyrrole nanocomposite cathode for lithium rechargeable batteries // Journal of Power Sources. – 2012. - №208. – P. 1–8.
13 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, Moulay-RachidBabaa, AishuakKonarov, Cong Ding, and P. ChenEffect of Graphene on Sulfur/Polyacrylonitrile Nanocomposite Cathode in High Performance Lithium/Sulfur Batteries // Journal of The Electrochemical Society. – 2013. – № 160(8). – P. 1194-1198.
14 YongguangZhang,Yan Zhao, AssiyaYermukhambetova, ZhumabayBakenov and P.ChenTernary sulfur/polyacrylonitrile/Mg0.6Ni0.4O composite cathodes for high performance lithium/sulfur batteries // J.Mater.Chem.A. – 2013. – № 1. – P. 295–301.
15 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, AishuakKonarov, P. Preparation of novel network nanostructured sulfur composite cathode with enhanced stable cycle performance// Journal of Power Sources. – 2014. –№ 270. – P. 326 – 331.
16 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenov, MadinaTuiyebayeva, AishuakKonarov, P. Chen Synthesis of Hierarchical Porous Sulfur/Polypyrrole/Multiwalled Carbon Nanotube Composite Cathode for Lithium Batteries //ElectrochimicaActa. - 2014. –№ 143. – P. 49–55.
17 Lin Chen, Leon L. ShawRecent advances in lithium/sulfur batteries // Journal of Power Sources, 2014. –№ 267. – P. 770-783.
18 Andrea Fedorková, RenátaOriňáková, OndřejČech, Marie Sedlaříková New Composite Cathode Materials for Li/S Batteries: A Review // Int. J. Electrochem. Sci. – 2013.– №8.– P. 10308 – 10319.
19 Hong Cheng and Shengping Wang Recent progress in polymer/sulphur composites as cathodes for rechargeable lithium–sulphur batteries // J. Mater. Chem. A. – 2014. – №2.– P. 13783-13794.
20 Ya Liu, Jun Zhang, Xiaochun Liu, JinxinGuo, Lifei Pan, Hongfei Wang, Qingmei Su, Gaohui Du Nanosulfur/ polyaniline/ graphene composites for high-performance lithium–sulfur batteries:Onepot in-situ synthesis // Materials Letters. – 2014. – №133.– P. 193-196.
21 Jaroslav Stejskal, Irina Sapurina, Jan Prokes, Josef Zemek In-situ polymerized polyaniline films // Synthetic Metals. –1999. – №105.– P. 195–202.
22 AishuakKonarov, Denise Gosselink, The Nam Long Doan, Yongguang Zhang, Yan Zhao, P. Chen Simple, scalable, and economical preparation of sulfur-PAN composite cathodes for Li/S batteries // Journal of Power Sources. – 2014. – №259.– P. 183-187.
23 The Nam Long Doan, MahmoudrezaGhaznavi, Yan Zhao, Yongguang Zhang, AishuakKonarov, Mikhail Sadhu, RavichandraTangirala, P. Chen Binding mechanism of sulfur and dehydrogenated polyacrylonitrile in sulfur/polymer composite cathode // Journal of Power Sources. – 2013. – №241.– P. 61-69.
24 Sheng S. Zhang Understanding of Sulfurized Polyacrylonitrile for Superior Performance Lithium/Sulfur Battery // Energies. –2014. – №7.– P. 4588-4600.
25 Tae-GyungJeong, Young Hoon Moon, Ho-Hwan Chun, Hyung Sun Kim, Byung Won Cho and Yong-Tae Kim Free standing acetylene black mesh to capture dissolved polysulfide in lithium sulfur batteries // Chem. Commun. – 2013. – №49.– P. 11107-11109.
26 Yongguang Zhang, Yan Zhao, ZhumabayBakenovc, MadinaTuiyebayeva, AishuakKonarov, P. Chen Synthesis of Hierarchical Porous Sulfur/Polypyrrole/Multiwalled Carbon Nanotube Composite Cathode for Lithium Batteries // ElectrochimicaActa. – 2014. – №143.– P. 49–55.
1.1 Аккумуляторлар туралы жалпы түсінік
Аккумулятор (лат. accumulator -- жинақтауыш) - химиялық реакция энергиясын электр энергиясына айналдыратын аспап; ол электр және су энергиясын гальвани батареяларының көмегімен жинайды. Ол жиналатын энергия түріне сәйкес электр аккумуляторы, гидравликалық аккумулятор, пневматикалық аккумулятор, жылу аккумуляторы, бу аккумуляторы және инерциялық аккумулятор болып бөлінеді.
Электр аккумуляторы -- электр энергиясын жинап (химиялық энергияға айналдыру арқылы), қажет болғанда сыртқы тізбекке бере алатын химиялық ток көзі. Ол ішінде электролит (қышқыл не сілті) және электродтары бар оқшаулағыш материалдан (эбонит, шыны, пластмасса) жасалған ыдыстан тұрады. Электр аккумуляторы тұрғылықты және тасымалды болып бөлінеді. Тұрғылықты аккумулятор электр, радио, телефон және телеграф стансасында тұрақты ток көзі ретінде, тасымал аккумулятор көшпелі қондырғыларда (көшпелі радиоаппаратураларда, автомобильдерде, ұшақтарда, электромобильдерде, т.б.) қолданылады [1].
1.2 Литий-ионды аккумуляторлар және олардың сипаттамалары
Қуаттандырылатын литий-ион батареялары кіші тұрмыс электроникасынан бастап, тіпті электромобильдерге дейінгі шағын қондырғылар үшін энергия көзінің жетекшісі болып табылатын электрлік аккумулятор түрі. Ол ұялы телефондар, ноутбуктер, сандық фотоаппараттар, бейнекамералар және электромобильдер сияқты қондырғыларда қолданылатын ең кең таралған аккумулятор типі болып табылады. Алғашқы литий-ионды аккумуляторды 1991 жылы Sony корпорациясы шығарған болатын.
Бүгінгі күні литий-ионды аккумуляторлар өміріміздің ажырамас бір бөлігіне айналып отыр.
Литий-ионды аккумуляторлардың сипаттамалары құрамдас компоненттерінің химиялық құрамынан тәуелді және келесі аралықта өзгеріп отырады:
* Бір элементтің кернеуі:
o Номиналды: 3,6-3,7 В;
o Максималды: 4,23 В;
o Минималды: 2,5-3,0 В;
* Меншікті энергия сыйымдылығы: 110 ... 243 Вт*сағкг;
* Ішкі кедергі: 5 ... 15 мОмА*сағ;
* Сыйымдылығының 80 %-ын жоғалтқанға дейінгі циклдер саны: 600;
* Тез зарядтау уақыты: 15 мин ... 1 сағ;
* Бөлме температурасында өздігінен разрядталуы: айына 3%;
* Сыйымдылыққа (С) қатысты ток жүктемесі:
o Тұрақты: 65 С-ге дейін;
o Импульсті: 500 С-ге дейін;
o Оптималды: 1 С-ге дейін;
* Жұмысшы температуралар диапазоны: 00С-ден +600С-ға дейін (теріс температураларда батареяларды зарядтау мүмкін емес).
1.2.2 Литий-ионды аккумуляторлардың құрылысы
Литий-ионды аккумулятор электролит сіңірілген кеуекті сепаратормен бөлінген электродтардан (альминий фольгасындағы катодтық материал мен мыс фольгасындағы анодтық материалдан) тұрады. Литий-ионды аккумуляторлар бір-бірінен қолданылатын катодтық материалдардың типіне байланысты ерекшеленеді. Литий-ионды аккумулятордағы заряд тасымалдағыш қызметін оң зарядталған литий ионы атқарады.
Бүгінгі күні жаппай өндірілетін литий-ионды аккумуляторларда катодтық материалдардың үш класы қолданылады:
* Литий кобальтаты LiCoO2 мен оған изоқұрылымды литий никелаты негізіндегі қатты ерітінділер
* Литий-марганец шпинелі LiMn2O4
* Литий-феррофосфат LiFePO4
Өздігінен разрядталуының төмендігі мен зарядтау-разрядтау циклдер санының көптігіне байланысты литий-ионды аккумуляторлар альтернативті энергетикада қолдануға ең ыңғайлы энергия сақтау көздері болып табылады.
1.2.3 Литий-ионды аккумуляторлардың басты кемшіліктері
Литий-ионды аккумуляторлардың тұрмыстық техниканың көпшілігінде энергия сақтау көзі ретінде қолданылылатынына қарамастан, олардың кең ауқымды қолданысы қол жетімді катод материалдарының энергия сыйымдылығының төмендігімен шектелген. Жоғары энергиялы құрылғылардың дамуы энергия сыйымдылығы жоғары батареяларды дамытуды қажет етеді. Сонымен қатар, қуаттандырылатын батареяларды қолданудың қауіпсіздік жағдайларын қамтамасыз ету, аккумуляторлардың қоршаған ортаға зиянсыз болуы, тағы басқа шарттардың орындалуы катодтық материалдарды дамытуда міндетті болып табылады.
Қазіргі қолданыстағы катодтық материалдардың басқа да кемшіліктерін 1 - кестеден көруге болады.
Кесте 1 - Литий-ионды аккумуляторларда қолданылатын катодтық материалдардың сипаттамалық қасиеттері
LiCoO2
LiNiO2
LiMn2O4
LiFePO4
Теориялық энергия сыйымдылығы
(мА*сағг)
274
274
148
170
Практикалық энергия сыйымдылығы
120-155
135-180
100-130
100-160
Жоғары жүктемеде жұмыс істеу қабілеті
жақсы
орташа
төмен
төмен
Циклдік өмірі
жақсы
жақсы
орташа
жақсы
Жұмысшы кернеу
3,9
3,8
4,1
3,4
Жоғары температурадағы қасиеттері
жақсы
жақсы
төмен
жақсы
Термиялық тұрақтылығы
төмен
Өте төмен
жақсы
жақсы
Тығыздығы (гсм3)
5,1
4,8
4,2
3,6
Экологияға әсері
зиян
зиян
зиянсыз
зиянсыз
Бағасы
($кг)
25
13
0,5
0,23
Синтездеп алынуы
оңай
қиын
қиын
қиын
Энергия тығыздығы (Вт*сағкг)
580
592
578
Қуаттылғы (Вткг)
150-190
100-135
90-120
Сондықтан, баламалы, энергия сыйымдылығы жоғары, тиімді катод материалдарын дамыту қажет. Бағасының төмендігі мен экологиялық зиянсыздығына байланысты, және ең бастысы 1672 мАсағг-ға тең жоғары энергия сыйымдылығына ие болғандықтан, күкірт - жоғары энергиялы қуаттандырылатын жаңа буын литий батареялары үшін таптырмас катодтық материал [2].
1.3 Литий-күкірт батареялары және олардың электрохимиясы
Литий-күкіртті аккумуляторлар (қысқаша LiS) - күкіртті катод қолданылатын екіншілік химиялық ток көзі. Соңғы жылдары литий-күкірт (LiS) электрохимиялық жүйесі зерттеушілердің ерекше назарына ие болып отыр. Алдағы уақытта LiS технологиялардың энергия тығыздығы кәдімгі батареялармен салыстырға 10 есе артық болады деп жобалануда [3]. Бұндай батареяларды қолдану электромобильдердің жүріс жолын екі есе ұзартып, көліктің салмағын жеңілдетуге мүмкіндік береді. Күкірттің активті материал ретіндегі басқа материалдардан артықшылығы:
* Табиғатта кең таралған
* Бағасы төмен
* Экологиялық зиянсыз
* Теориялық энергия сыйымдылығы жоғары (1672 мА*сағг)
* Энергия тығыздығы жоғары (2600 Вт*сағкг).
Катодтық электродтың бағасының төмендеуі жалпы батарея өндірісінің арзандауына алып келеді [4]. Сондықтан, қазіргі уақытта LiS батареяларының технологиясы литий-ион аккумуляторларына альтернативті, болашағы зор технология болып табылады, және күннен-күнге әлем зерттеушілерінің назарын аулауда. Алайда, оның қуаттандырылатын литий батареяларында катод ретінде практикалық қолданыс табуына кедергі болып отырған бірнеше қиындықтар бар [5, 6]. Олар:
* Күкірттің изоляциялық табиғаты
* Разрядтау энергия сыйымдылығының төмендігі
* Циклдік қабілетінің төмендігі
* Кулондық эффективтілігінің төмендігі
* Литиймен реакциясы барысында көлемінің ұлғаюы
* Электрохимиялық тотықсыздану процесінің көп сатылылығы
* Полисульфидтердің сұйық электролитте ерігіштігі.
Литий-күкірт батареяларын зерттеумен айналысатын ғалымдардың басты мақсаты - осы мәселелерді шешу.
Литий-күкірт батареялары литийден жасалған анодтан, күкірт-композитті катодтан және электролиттен тұрады (Сурет 1).
Сурет 1 - Литий-күкірт батареясының құрылысының схемасы
Разрядтау барысында күкірт екі электронмен тотықсызданып, литий иондарын қосып алады. Нәтижесінде аралық буындар - полисульфидтер (Li2Sx, x=2 - 8), ал толық разрядтаудан кейін - литий сульфиді (Li2S) түзіледі. Бұл процесс катодтың электрохимиялық потенциалының кемуімен жүреді.
Төменде күкірттің литий-ионды күкірт батареяларындағы тотықсыздануының мүмкін механизмі келтірілген [7]:
S8+2e---S82- (1)
S82---S62-+14S8 (2)
2S62-+2e---3S42- (3)
3S42- +2e---4S32- (4)
2S32-+6Li++2e---3Li2S2 (5)
2Li2S2+2Li++2e---2Li2S (6)
Белгілі бір потенциалдар айырымы бар сыртқы электр өрісінің әсерінен Li2S-тің литий мен күкіртке ыдырауымен кері реакция жүреді. Бұл кезде электрохимиялық потенциал біртіндеп артады. Молекулалық массаларының төмендігі мен тотығу-тотықсыздану реакциясына екі электронның қатысуы электродтардың жоғары теориялық сыйымдылығын (литий үшін 3860 мАсағг және күкірт үшін 1672 мАсағг), және де бүкіл батареяның жоғары меншікті энергиясын қамтамасыз етеді. Алайда, батареяның электрохимиясы оның практикалық қолданылуына кедергі келтіретіндей айтарлықтай мәселелердің тууына себепші болып отыр. Біріншіден, күкірт пен оның тотықсыздануының түрлі өнімдері (Li2Sx, x=1 - 8) төмен иондық және электрондық өткізгіштікке ие, ал бұл, өз кезегінде, батареяның ішкі кедергісін арттырады. Кедергінің артуы поляризацияның артуына алып келеді, соның салдарынан батареяның энергияны қолдану эффективтілігі төмендейді. Сонымен қатар, разрядтау барысында күкірттің бетінде ерімейтін, ток өткізбейтін изоляциялық қабат (негізінен Li2S2 пен Li2S-тен тұратын) түзіледі. Ол кедергіні арттырып қана қоймай, күкірттің ары қарай тотықсыздануына кедергі жасап, эффективтілігінің төмендеуіне алып келеді. Екінші мәселе литий-күкірт батареяларында жүретін электрохимиялық процестерге қатысты. 2 - суреттен күкірттің сатылы тотықсыздануы барысындағы кернеудің өзгерісін көруге болады.
Сурет 2 - Күкірттің электрохимиялық тотықсыздануы
1.3.1 Литийлі анод және литий-күкірт батареяларына арналған электролиттер
Жоғары жылдамдықпен дамып келе жатқан катодтық материалдармен салыстырғанда, литий-күкірт батареяларының маңызды құрам бөлігі ретінде литийлі анод ұзақ уақыт зерттеушілер назарынан тыс қалып отырды. Металдық литий, негізінен, төмен потенциалы мен жоғары меншікті сыйымдылығына байланысты, идеалды анодтық материал болып табылады. Алайда, литий электролиттердің көпшілігімен реакцияласып, химиялық байланысқа түседі де, анод бетінде пассивтендіруші қабықшаның түзілуіне әкеп соқтырады. Қабықша, әдетте ион өткізгіш бола отырып, разрядтау процесінің барысында литийдің еруіне (Li -- Li+ + e-) кедергі келтірмейді. Алайда, қабықшаның біртекті емес беті литийдің тұнуына (Li+ + e- -- Li) айтарлықтай кері әсерін тигізеді. Нәтижесінде кең көлемде дендриттер түзіле бастайды, ал бұл өз кезегінде қауіпсіздікті қатерге тігеді. Шынында да, бұрынырақта металдық литийлі батареяларды қолдану барысында өрт, тіпті жарылыс жағдайлары орын алған. Сондықтан, бүгінгі күні литий-күкірт батареяларының негізгі мәселелерінің бірі металдық литийді сенімдірек анодтық материалдармен алмастыру болып табылады. Ондай материалдар ретінде литийдің кремниймен немесе қалайымен құймасы, және де алдын-ала литийленген графит алынуы мүмкін. Бұл анодтық материалдар терең зерттеулер мен дамытуды қажет етеді [8].
Электролит, электродтар арасында литий иондарын тасымалдаушы орта ретінде, батареяның жұмысы барысында күкіртті катодпен де, литийлі анодпен де әрекеттеседі. Стандартты электролит еріткіштен, электролиттік тұздан және қосымша қоспалардан құралады. Батареяға негізгі әсерін органикалық еріткіштер тигізеді. Полисульфидтердің ерігіштігі, және басқа да көптеген маңызды факторлар осы еріткіштерден тәуелді. LiClO4, LiPF6, LiCF3SO3 (LiFSI) және Li(CF3 SO2)2N (LiTFSI) сияқты тұздар литий-күкірт батареяларының электролиттері үшін ең кең қолданылмалы болып табылады. Еріткіштермен салыстырғанда, электролиттік тұздардың компоненттері ұяшықтың сипаттамалық қасиеттеріне көп әсер етпейді. Ал қосымша қоспалар электролиттің сипаттамалық қасиеттерін жақсарту мақсатында қосылады. Алайда, олардың да әлі де талдауды қажет ететін кемшіліктері де бар.
Литий-күкірт батареяларының электрохимиялық әрекеті түрлі электролиттерде алуан түрлі болуы мүмкін. Бұл полисульфидтердің әр түрлі электролит-еріткіштердегі ерігіштігінің әр түрлі болуымен түсіндіріледі. Сондықтан, литий-күкірт батареялары үшін қолайлы электролит таңдауға үлкен көңіл бөлінді. Сұйық электролиттер, бөлме температурасындағы иондық сұйықтарға негізделген электролиттер (RTIL), қатты денелі электролиттер, барлығы да полисульфидтердің ерігіштігін төмендетіп, литийлі анодты тұрақтандыру жолында маңызды рөл атқарады [9].
1.3.2 Күкіртті катод және ток өткізгіш полимерлер
Күкіртті электродтың басты кемшіліктерінің бірі: таза күкірт электр тогын өткізбейді. Жеткілікті өткізгіштікке қол жеткізу үшін оны көміртегі немесе органикалық өткізгіш полимер сияқты ток өткізгіш материалдармен байланыстырады. Күкіртті композиттер алу - литий-күкірт батареяларының дамуының алғышарттарының бірі. Бүгінгі күні күкіртті композиттер алудың екі әдісі белгілі. Олар - күкірттің бетін қаптамамен қаптау және өткізгіш агент құрылысына күкіртті енгізу. Беттік қаптама - литий-ион батареяларының эдектрод материалдарының электрохимиялық қасиеттерін жақсартуға арналған ең эффективті әдістердің бірі, және күкіртті катодқа қолданылмалы болып табылады. Жоғары электр өткізгіштігі мен тығыз құрылысына байланысты, көміртегі - қаптамалар алуға арналған тамаша материал, және көптеген электродтық материалдар алуда сәтті қолданылып келеді. Алайда, беттік қабаттың электронды өткізгіштігін арттыру мақсатындағы гидротермиялық немесе ионотермиялық қаптамалар алу әдістері 500℃-дан артық температурада термиялық өңдеуді қажет етеді. Мұндай жоғары температура күкірт үшін тиімсіз, себебі оның қайнау температурасынан (445℃) асады [8, 9]. Ал графен (немесе тотықсыздандырылған графен тотығы) күкірт үшін төмен температуралы көміртекті қаптамалардың дамуында таптырмас материал бола алады. Графенның басты артықшылықтарының бірі - оның иілгіштігі. Соның арқасында ол цикл барысында күкірттің көлемінің өзгеру кернеуін төмендете алады, ал оның тығыз құрылымы полисульфидтердің электролитте еруіне жол бермейді [10, 11]. Полипиррол, полиакрилонитрил және политиофан сияқты ток өткізгіш полимерлер де күкіртті қаптамалар алуда қолданылады. Полимерлік қаптама күкірттің циклдік тұрақтылығын жақсартады, және графенмен салыстырғанда айтарлықтай арзан [12-16]. Мысалға 3 - суретте күкірттің полиакрилонитрилмен композитінің электрохимиялық сипаттамасы келтірілген.
Сурет 3 - Күкірт пен полиакрилонитрил негізіндегі катодтық материалдың 0,1 С-де гальваностатикалық заряд-разряд кезіндегі циклдік және заряд-разрядтық сипаттамалары
Жақында күкіртті қаптауға арналған эффективті материалдар ретінде оксидтерді де қолдануға болатындығы анықталды. Мысалы, TiO2 мезосаңылаулы қабаты литий-күкірт батареясының циклденуін жақсартып, жұмыс ұзақтығын 1000 циклге дейін арттыруға мүмкіндік берді. Алайда, TiO2 аморфты қабаты электрондарды ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Аккумулятор (лат. accumulator -- жинақтауыш) - химиялық реакция энергиясын электр энергиясына айналдыратын аспап; ол электр және су энергиясын гальвани батареяларының көмегімен жинайды. Ол жиналатын энергия түріне сәйкес электр аккумуляторы, гидравликалық аккумулятор, пневматикалық аккумулятор, жылу аккумуляторы, бу аккумуляторы және инерциялық аккумулятор болып бөлінеді.
Электр аккумуляторы -- электр энергиясын жинап (химиялық энергияға айналдыру арқылы), қажет болғанда сыртқы тізбекке бере алатын химиялық ток көзі. Ол ішінде электролит (қышқыл не сілті) және электродтары бар оқшаулағыш материалдан (эбонит, шыны, пластмасса) жасалған ыдыстан тұрады. Электр аккумуляторы тұрғылықты және тасымалды болып бөлінеді. Тұрғылықты аккумулятор электр, радио, телефон және телеграф стансасында тұрақты ток көзі ретінде, тасымал аккумулятор көшпелі қондырғыларда (көшпелі радиоаппаратураларда, автомобильдерде, ұшақтарда, электромобильдерде, т.б.) қолданылады [1].
1.2 Литий-ионды аккумуляторлар және олардың сипаттамалары
Қуаттандырылатын литий-ион батареялары кіші тұрмыс электроникасынан бастап, тіпті электромобильдерге дейінгі шағын қондырғылар үшін энергия көзінің жетекшісі болып табылатын электрлік аккумулятор түрі. Ол ұялы телефондар, ноутбуктер, сандық фотоаппараттар, бейнекамералар және электромобильдер сияқты қондырғыларда қолданылатын ең кең таралған аккумулятор типі болып табылады. Алғашқы литий-ионды аккумуляторды 1991 жылы Sony корпорациясы шығарған болатын.
Бүгінгі күні литий-ионды аккумуляторлар өміріміздің ажырамас бір бөлігіне айналып отыр.
Литий-ионды аккумуляторлардың сипаттамалары құрамдас компоненттерінің химиялық құрамынан тәуелді және келесі аралықта өзгеріп отырады:
* Бір элементтің кернеуі:
o Номиналды: 3,6-3,7 В;
o Максималды: 4,23 В;
o Минималды: 2,5-3,0 В;
* Меншікті энергия сыйымдылығы: 110 ... 243 Вт*сағкг;
* Ішкі кедергі: 5 ... 15 мОмА*сағ;
* Сыйымдылығының 80 %-ын жоғалтқанға дейінгі циклдер саны: 600;
* Тез зарядтау уақыты: 15 мин ... 1 сағ;
* Бөлме температурасында өздігінен разрядталуы: айына 3%;
* Сыйымдылыққа (С) қатысты ток жүктемесі:
o Тұрақты: 65 С-ге дейін;
o Импульсті: 500 С-ге дейін;
o Оптималды: 1 С-ге дейін;
* Жұмысшы температуралар диапазоны: 00С-ден +600С-ға дейін (теріс температураларда батареяларды зарядтау мүмкін емес).
1.2.2 Литий-ионды аккумуляторлардың құрылысы
Литий-ионды аккумулятор электролит сіңірілген кеуекті сепаратормен бөлінген электродтардан (альминий фольгасындағы катодтық материал мен мыс фольгасындағы анодтық материалдан) тұрады. Литий-ионды аккумуляторлар бір-бірінен қолданылатын катодтық материалдардың типіне байланысты ерекшеленеді. Литий-ионды аккумулятордағы заряд тасымалдағыш қызметін оң зарядталған литий ионы атқарады.
Бүгінгі күні жаппай өндірілетін литий-ионды аккумуляторларда катодтық материалдардың үш класы қолданылады:
* Литий кобальтаты LiCoO2 мен оған изоқұрылымды литий никелаты негізіндегі қатты ерітінділер
* Литий-марганец шпинелі LiMn2O4
* Литий-феррофосфат LiFePO4
Өздігінен разрядталуының төмендігі мен зарядтау-разрядтау циклдер санының көптігіне байланысты литий-ионды аккумуляторлар альтернативті энергетикада қолдануға ең ыңғайлы энергия сақтау көздері болып табылады.
1.2.3 Литий-ионды аккумуляторлардың басты кемшіліктері
Литий-ионды аккумуляторлардың тұрмыстық техниканың көпшілігінде энергия сақтау көзі ретінде қолданылылатынына қарамастан, олардың кең ауқымды қолданысы қол жетімді катод материалдарының энергия сыйымдылығының төмендігімен шектелген. Жоғары энергиялы құрылғылардың дамуы энергия сыйымдылығы жоғары батареяларды дамытуды қажет етеді. Сонымен қатар, қуаттандырылатын батареяларды қолданудың қауіпсіздік жағдайларын қамтамасыз ету, аккумуляторлардың қоршаған ортаға зиянсыз болуы, тағы басқа шарттардың орындалуы катодтық материалдарды дамытуда міндетті болып табылады.
Қазіргі қолданыстағы катодтық материалдардың басқа да кемшіліктерін 1 - кестеден көруге болады.
Кесте 1 - Литий-ионды аккумуляторларда қолданылатын катодтық материалдардың сипаттамалық қасиеттері
LiCoO2
LiNiO2
LiMn2O4
LiFePO4
Теориялық энергия сыйымдылығы
(мА*сағг)
274
274
148
170
Практикалық энергия сыйымдылығы
120-155
135-180
100-130
100-160
Жоғары жүктемеде жұмыс істеу қабілеті
жақсы
орташа
төмен
төмен
Циклдік өмірі
жақсы
жақсы
орташа
жақсы
Жұмысшы кернеу
3,9
3,8
4,1
3,4
Жоғары температурадағы қасиеттері
жақсы
жақсы
төмен
жақсы
Термиялық тұрақтылығы
төмен
Өте төмен
жақсы
жақсы
Тығыздығы (гсм3)
5,1
4,8
4,2
3,6
Экологияға әсері
зиян
зиян
зиянсыз
зиянсыз
Бағасы
($кг)
25
13
0,5
0,23
Синтездеп алынуы
оңай
қиын
қиын
қиын
Энергия тығыздығы (Вт*сағкг)
580
592
578
Қуаттылғы (Вткг)
150-190
100-135
90-120
Сондықтан, баламалы, энергия сыйымдылығы жоғары, тиімді катод материалдарын дамыту қажет. Бағасының төмендігі мен экологиялық зиянсыздығына байланысты, және ең бастысы 1672 мАсағг-ға тең жоғары энергия сыйымдылығына ие болғандықтан, күкірт - жоғары энергиялы қуаттандырылатын жаңа буын литий батареялары үшін таптырмас катодтық материал [2].
1.3 Литий-күкірт батареялары және олардың электрохимиясы
Литий-күкіртті аккумуляторлар (қысқаша LiS) - күкіртті катод қолданылатын екіншілік химиялық ток көзі. Соңғы жылдары литий-күкірт (LiS) электрохимиялық жүйесі зерттеушілердің ерекше назарына ие болып отыр. Алдағы уақытта LiS технологиялардың энергия тығыздығы кәдімгі батареялармен салыстырға 10 есе артық болады деп жобалануда [3]. Бұндай батареяларды қолдану электромобильдердің жүріс жолын екі есе ұзартып, көліктің салмағын жеңілдетуге мүмкіндік береді. Күкірттің активті материал ретіндегі басқа материалдардан артықшылығы:
* Табиғатта кең таралған
* Бағасы төмен
* Экологиялық зиянсыз
* Теориялық энергия сыйымдылығы жоғары (1672 мА*сағг)
* Энергия тығыздығы жоғары (2600 Вт*сағкг).
Катодтық электродтың бағасының төмендеуі жалпы батарея өндірісінің арзандауына алып келеді [4]. Сондықтан, қазіргі уақытта LiS батареяларының технологиясы литий-ион аккумуляторларына альтернативті, болашағы зор технология болып табылады, және күннен-күнге әлем зерттеушілерінің назарын аулауда. Алайда, оның қуаттандырылатын литий батареяларында катод ретінде практикалық қолданыс табуына кедергі болып отырған бірнеше қиындықтар бар [5, 6]. Олар:
* Күкірттің изоляциялық табиғаты
* Разрядтау энергия сыйымдылығының төмендігі
* Циклдік қабілетінің төмендігі
* Кулондық эффективтілігінің төмендігі
* Литиймен реакциясы барысында көлемінің ұлғаюы
* Электрохимиялық тотықсыздану процесінің көп сатылылығы
* Полисульфидтердің сұйық электролитте ерігіштігі.
Литий-күкірт батареяларын зерттеумен айналысатын ғалымдардың басты мақсаты - осы мәселелерді шешу.
Литий-күкірт батареялары литийден жасалған анодтан, күкірт-композитті катодтан және электролиттен тұрады (Сурет 1).
Сурет 1 - Литий-күкірт батареясының құрылысының схемасы
Разрядтау барысында күкірт екі электронмен тотықсызданып, литий иондарын қосып алады. Нәтижесінде аралық буындар - полисульфидтер (Li2Sx, x=2 - 8), ал толық разрядтаудан кейін - литий сульфиді (Li2S) түзіледі. Бұл процесс катодтың электрохимиялық потенциалының кемуімен жүреді.
Төменде күкірттің литий-ионды күкірт батареяларындағы тотықсыздануының мүмкін механизмі келтірілген [7]:
S8+2e---S82- (1)
S82---S62-+14S8 (2)
2S62-+2e---3S42- (3)
3S42- +2e---4S32- (4)
2S32-+6Li++2e---3Li2S2 (5)
2Li2S2+2Li++2e---2Li2S (6)
Белгілі бір потенциалдар айырымы бар сыртқы электр өрісінің әсерінен Li2S-тің литий мен күкіртке ыдырауымен кері реакция жүреді. Бұл кезде электрохимиялық потенциал біртіндеп артады. Молекулалық массаларының төмендігі мен тотығу-тотықсыздану реакциясына екі электронның қатысуы электродтардың жоғары теориялық сыйымдылығын (литий үшін 3860 мАсағг және күкірт үшін 1672 мАсағг), және де бүкіл батареяның жоғары меншікті энергиясын қамтамасыз етеді. Алайда, батареяның электрохимиясы оның практикалық қолданылуына кедергі келтіретіндей айтарлықтай мәселелердің тууына себепші болып отыр. Біріншіден, күкірт пен оның тотықсыздануының түрлі өнімдері (Li2Sx, x=1 - 8) төмен иондық және электрондық өткізгіштікке ие, ал бұл, өз кезегінде, батареяның ішкі кедергісін арттырады. Кедергінің артуы поляризацияның артуына алып келеді, соның салдарынан батареяның энергияны қолдану эффективтілігі төмендейді. Сонымен қатар, разрядтау барысында күкірттің бетінде ерімейтін, ток өткізбейтін изоляциялық қабат (негізінен Li2S2 пен Li2S-тен тұратын) түзіледі. Ол кедергіні арттырып қана қоймай, күкірттің ары қарай тотықсыздануына кедергі жасап, эффективтілігінің төмендеуіне алып келеді. Екінші мәселе литий-күкірт батареяларында жүретін электрохимиялық процестерге қатысты. 2 - суреттен күкірттің сатылы тотықсыздануы барысындағы кернеудің өзгерісін көруге болады.
Сурет 2 - Күкірттің электрохимиялық тотықсыздануы
1.3.1 Литийлі анод және литий-күкірт батареяларына арналған электролиттер
Жоғары жылдамдықпен дамып келе жатқан катодтық материалдармен салыстырғанда, литий-күкірт батареяларының маңызды құрам бөлігі ретінде литийлі анод ұзақ уақыт зерттеушілер назарынан тыс қалып отырды. Металдық литий, негізінен, төмен потенциалы мен жоғары меншікті сыйымдылығына байланысты, идеалды анодтық материал болып табылады. Алайда, литий электролиттердің көпшілігімен реакцияласып, химиялық байланысқа түседі де, анод бетінде пассивтендіруші қабықшаның түзілуіне әкеп соқтырады. Қабықша, әдетте ион өткізгіш бола отырып, разрядтау процесінің барысында литийдің еруіне (Li -- Li+ + e-) кедергі келтірмейді. Алайда, қабықшаның біртекті емес беті литийдің тұнуына (Li+ + e- -- Li) айтарлықтай кері әсерін тигізеді. Нәтижесінде кең көлемде дендриттер түзіле бастайды, ал бұл өз кезегінде қауіпсіздікті қатерге тігеді. Шынында да, бұрынырақта металдық литийлі батареяларды қолдану барысында өрт, тіпті жарылыс жағдайлары орын алған. Сондықтан, бүгінгі күні литий-күкірт батареяларының негізгі мәселелерінің бірі металдық литийді сенімдірек анодтық материалдармен алмастыру болып табылады. Ондай материалдар ретінде литийдің кремниймен немесе қалайымен құймасы, және де алдын-ала литийленген графит алынуы мүмкін. Бұл анодтық материалдар терең зерттеулер мен дамытуды қажет етеді [8].
Электролит, электродтар арасында литий иондарын тасымалдаушы орта ретінде, батареяның жұмысы барысында күкіртті катодпен де, литийлі анодпен де әрекеттеседі. Стандартты электролит еріткіштен, электролиттік тұздан және қосымша қоспалардан құралады. Батареяға негізгі әсерін органикалық еріткіштер тигізеді. Полисульфидтердің ерігіштігі, және басқа да көптеген маңызды факторлар осы еріткіштерден тәуелді. LiClO4, LiPF6, LiCF3SO3 (LiFSI) және Li(CF3 SO2)2N (LiTFSI) сияқты тұздар литий-күкірт батареяларының электролиттері үшін ең кең қолданылмалы болып табылады. Еріткіштермен салыстырғанда, электролиттік тұздардың компоненттері ұяшықтың сипаттамалық қасиеттеріне көп әсер етпейді. Ал қосымша қоспалар электролиттің сипаттамалық қасиеттерін жақсарту мақсатында қосылады. Алайда, олардың да әлі де талдауды қажет ететін кемшіліктері де бар.
Литий-күкірт батареяларының электрохимиялық әрекеті түрлі электролиттерде алуан түрлі болуы мүмкін. Бұл полисульфидтердің әр түрлі электролит-еріткіштердегі ерігіштігінің әр түрлі болуымен түсіндіріледі. Сондықтан, литий-күкірт батареялары үшін қолайлы электролит таңдауға үлкен көңіл бөлінді. Сұйық электролиттер, бөлме температурасындағы иондық сұйықтарға негізделген электролиттер (RTIL), қатты денелі электролиттер, барлығы да полисульфидтердің ерігіштігін төмендетіп, литийлі анодты тұрақтандыру жолында маңызды рөл атқарады [9].
1.3.2 Күкіртті катод және ток өткізгіш полимерлер
Күкіртті электродтың басты кемшіліктерінің бірі: таза күкірт электр тогын өткізбейді. Жеткілікті өткізгіштікке қол жеткізу үшін оны көміртегі немесе органикалық өткізгіш полимер сияқты ток өткізгіш материалдармен байланыстырады. Күкіртті композиттер алу - литий-күкірт батареяларының дамуының алғышарттарының бірі. Бүгінгі күні күкіртті композиттер алудың екі әдісі белгілі. Олар - күкірттің бетін қаптамамен қаптау және өткізгіш агент құрылысына күкіртті енгізу. Беттік қаптама - литий-ион батареяларының эдектрод материалдарының электрохимиялық қасиеттерін жақсартуға арналған ең эффективті әдістердің бірі, және күкіртті катодқа қолданылмалы болып табылады. Жоғары электр өткізгіштігі мен тығыз құрылысына байланысты, көміртегі - қаптамалар алуға арналған тамаша материал, және көптеген электродтық материалдар алуда сәтті қолданылып келеді. Алайда, беттік қабаттың электронды өткізгіштігін арттыру мақсатындағы гидротермиялық немесе ионотермиялық қаптамалар алу әдістері 500℃-дан артық температурада термиялық өңдеуді қажет етеді. Мұндай жоғары температура күкірт үшін тиімсіз, себебі оның қайнау температурасынан (445℃) асады [8, 9]. Ал графен (немесе тотықсыздандырылған графен тотығы) күкірт үшін төмен температуралы көміртекті қаптамалардың дамуында таптырмас материал бола алады. Графенның басты артықшылықтарының бірі - оның иілгіштігі. Соның арқасында ол цикл барысында күкірттің көлемінің өзгеру кернеуін төмендете алады, ал оның тығыз құрылымы полисульфидтердің электролитте еруіне жол бермейді [10, 11]. Полипиррол, полиакрилонитрил және политиофан сияқты ток өткізгіш полимерлер де күкіртті қаптамалар алуда қолданылады. Полимерлік қаптама күкірттің циклдік тұрақтылығын жақсартады, және графенмен салыстырғанда айтарлықтай арзан [12-16]. Мысалға 3 - суретте күкірттің полиакрилонитрилмен композитінің электрохимиялық сипаттамасы келтірілген.
Сурет 3 - Күкірт пен полиакрилонитрил негізіндегі катодтық материалдың 0,1 С-де гальваностатикалық заряд-разряд кезіндегі циклдік және заряд-разрядтық сипаттамалары
Жақында күкіртті қаптауға арналған эффективті материалдар ретінде оксидтерді де қолдануға болатындығы анықталды. Мысалы, TiO2 мезосаңылаулы қабаты литий-күкірт батареясының циклденуін жақсартып, жұмыс ұзақтығын 1000 циклге дейін арттыруға мүмкіндік берді. Алайда, TiO2 аморфты қабаты электрондарды ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz