Способ получения нанокомпозиционных порошковых анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов


 


Владельцы патента RU 2634561:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") (RU)

Изобретение относится к получению нанокомпозиционных порошковых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. В качестве исходного материала выбирают наноразмерный порошок аэросила (SiO2) с удельной поверхностью 350-380 м2/г, который сушат в вакууме в течение 1-3 ч. Методом молекулярного наслаивания наносят на порошок аэросила тонкие пленки оксида олова (SnO2) толщиной от 10-20 нм с получением состава SiO2:SnO2 1:1. Затем проводят диффузионное перемешивание полученных тонких пленок оксида олова на порошке оксида кремния при температуре от 300 до 500°С в течение 8-15 ч. Обеспечивается получение материала с высокой удельной поверхностью и высокой удельной емкостью, равномерным распределением химического состава по объему и бездефектной кристаллической структурой. 1 табл.

 

Изобретение относится к электротехнической области и может быть использовано в аккумуляторных батареях транспортных и космических систем с улучшенными удельными характеристиками.

Известен способ получения SiO2 для использования в качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов. В качестве начального компонента использовали порошок кварца (SiO2) с размером частиц 44 мкм. Порошок помещали в шаровую высокоэнергетическую мельницу и производили механоактивацию в атмосфере Ar в течение 24 часов. В результате был получен порошок SiO2 с размером частиц менее 300 нм, обладающий наноструктурой с размером зерна порядка 5 нм [Кварц (SiO2): новый анодный материал для литий-ионных аккумуляторов // Energy Environ. Sci., 2012, 5, с. 6895-6899].

Недостатками способа являются низкая циклическая стабильность, низкая электронная и ионная проводимость полученного материала, а также низкая удельная поверхность полученного порошка.

Известен способ получения покрытий из оксида олова на кварцевой плоской подложке методом высокочастотного магнетронного распыления. В качестве начального компонента использовали мишень из металлического олова чистотой 99.99%. Перед нанесением покрытия подложку очистили спиртом, ацетоном и деионизированной водой, а затем высушили в потоке азота. После создания вакуума порядка 10-4 Па тонкие пленки оксида олова наносили при комнатной температуре, варьируя содержание подаваемого кислорода, полученные пленки имели толщину от 190-230 нм при времени нанесения 30 минут, после нанесения тонкие пленки термообработали на воздухе в течение 2 часов при температуре 200°С [Структура, химические, оптические и электрические свойства пленок SnOx, полученных высокочастотным магнетронным напылением // CS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, с. 5673-5677].

Недостатками способа являются сложность в контролировании нужного химического состава, сложность в получении бездефектной структуры, низкая удельная емкость полученного анодного материала, низкая удельная поверхность получаемого анодного материала.

Известен способ получения анодного порошкового материала SiO2/С/графена для литий-ионных аккумуляторов химическим методом, выбранный за прототип. В данной работе для получения порошка системы SiO2/С/графен в качестве начальных компонентов использовали наноразмерный порошок SiO2 с размером части 50-100 нм, полученный химическим методом. Затем полученный порошок SiO2 покрывали углеродом путем растворения и перемешивания оксида кремния и глюкозы в деионизированной воде, а затем подвергали гидротермальной обработке. После этого оксид графена полученный методом Хаммерса, таким же путем нанесли на SiO2/C, после чего полученный порошок обработали в автоклаве при температуре 800°С в течение 4 часов [Простой способ получения SiO2/С/графена как композитного анодного материала для литий-ионных аккумуляторов //YURONG REN и др. A Facile Synthesis of SiO2@C@graphene Composites as Anode Material For Lithium Ion Batteries, International Journal of Electrochemical Science, 9, 2014, c.7784-7794].

Недостатками способа являются сложность в получении бездефектной структуры и чистого химического состава, низкая удельная емкость полученного катодного порошка, низкая удельная поверхность получаемого порошка, а также неравномерное распределение химического состава по объему.

Технической проблемой изобретения является получение нанокомпозиционного анодного порошкового материала с высокой удельной поверхностью и высокой удельной емкостью, равномерным распределением химического состава по объему и бездефектной кристаллической структурой.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения нанокомпозиционного анодного порошкового материала на основе композиции SiO2/SnO2. В качестве исходного компонента берем наноразмерный порошок аэросила (SiO2) с удельной поверхностью 350-380 м2/г, с размером частиц 15-20 нм, далее помещаем данный порошок в установку для нанесения тонких пленок методом молекулярного наслаивания и проводим сушку в вакууме в течение 2.5-3 часов. Наносим тонкие пленки оксида олова до получения состава SiO2:SnO2 1:1, толщина оксида олова составляет от 10-20 нм. Далее проводим диффузионное перемешивание полученных тонких пленок оксида олова на порошках оксида кремния при температуре от 400°С до 500°С в течение 8-15 часов до формирования гомогенной бездефектной структуры SiO2/SnO2.

При использовании в качестве начального компонента аэросила готовый материал SiO2/SnO2 имеет удельную емкость порядка 320 м2/г, размер частиц 35 нм, что позволяет значительно увеличить коэффициент диффузии ионов лития из объема анодного материала, что, в свою очередь, значительно увеличивает удельную емкость. При формировании состава системы SiO2/SnO2 1:1 путем нанесения тонких пленок оксида олова на аэросил используется технология молекулярного наслаивания. В основе реализации данного метода лежит прохождение самоконтролируемой гетерогенной реакции, которая позволяет получать бездефектные пленки оксидных систем равномерно на всей поверхности аэросила, что приводит к получению равномерной бездефектной структуры с равномерным распределением химических элементов по объему получаемого материала [Атомно-слоевое осаждение: от прекурсоров до тонких пленок // Thin solid films, 2002, 409, с. 138-146].

Перед запуском процесса молекулярного наслаивания требуется удалить всю влагу из объема аэросила для обеспечения наилучшей конформности покрытий. Во время нанесения тонких пленок их толщина варьировалась от 10-20 нм, величины толщин такого порядка позволяют уже при невысоких температурах от 300 до 500°С производить диффузионное перемешивание химических элементов по объему, вследствие чего происходит образование кристаллической структуры системы SiO2/SnO2 с различными параметрами решетки.

В качестве исходного компонента был выбран наноразмерный порошок аэросила (SiO2) со следующим диапазоном удельной поверхности 350-380 м2/г, при использовании аэросила с удельной поверхностью менее 350 м2/г конечный анодный материал после нанесения оксида олова не будет обладать достаточным коэффициентом диффузии по литию, что приведет к ухудшению электрохимических характеристик. При использовании аэросила с удельной поверхностью более 380 м2/г конечный анодный материал в силу своей высокой активности будет растворяться в электролите. Время сушки аэросила от 1 до 3 часов, при нахождении аэросила в вакууме менее 1 часа вся адсорбировавшаяся влага не испаряется полностью, что приведет к дефектам в наносимых пленках, при сушке более 3 часов с поверхности аэросила начинают улетать поверхностные функциональные группы, что также приводит к ухудшению хемосорбции между аэросилом и оксидом олова. Толщина наносимых на аэросил покрытий оксида олова определена в диапазоне 10-20 нм, при толщине менее 10 нм не обеспечивается формирование конформных пленок, а толщины более 20 нм не позволяют полноценно проводить диффузионное перемешивание при температурах 300-500°С, что, в свою очередь, приведет к образованию дефектов в кристаллической структуре и снижению электрохимических характеристик. Диффузионное перемешивание производили при температуре не менее 300°С и не менее 8 часов, так как при таком режиме не произойдет полного внедрения олова в матрицу аэросила, что приведет к образованию нестехиометрического состава. При термической обработке больше 15 часов при температуре более 500°С будет происходить рост частиц аэросила, покрытого оксидом олова, что, в свою очередь, приведет к снижению удельной поверхности и, следовательно, к снижению удельной емкости готового анодного материала.

Для получения анодного порошкового материала на основе системы SiO2/SnO2 в качестве исходного компонента был выбран аэросил с удельной поверхностью 350-380 м2/г. После проведения сушки в вакууме в течение 1-3 часов на аэросил наносили оксид олова толщиной от 10 до 20 нм методом молекулярного наслаивания до получения состава SiO2/SnO2 1:1. Далее провели диффузионное перемешивание при температуре 300-500°С в течение 8-15 часов (таблица 1).

Синтезированный нанокомпозиционный порошковый анодный материал на основе системы SiO2/SnO2 обладает высокой удельной поверхностью и высокой удельной емкостью, равномерным распределением химического состава по объему всего порошка и бездефектной кристаллической структурой, полученной за счет использования определенных материалов и применения оригинальной технологии, которая характеризуется использованием метода молекулярного наслаивания оксида олова с последующим диффузионным перемешиванием.

Способ получения нанокомпозиционного порошкового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, включающий выбор порошка оксида кремния, отличающийся тем, что в качестве оксида кремния выбирают наноразмерный порошок аэросила (SiO2) с удельной поверхностью 350-380 м2/г, который сушат в вакууме в течение 1-3 ч, затем наносят на порошок аэросила пленки оксида олова (SnO2) толщиной от 10-20 нм методом молекулярного наслаивания с получением состава SiO2/SnO2 1:1, проводят диффузионное перемешивание полученного состава SiO2/SnO2 1:1 при температуре от 300 до 500°C в течение 8-15 ч с формированием бездефектной кристаллической структуры SiO2/SnO2 1:1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химической промышленности и электротехнике и может быть использовано при изготовлении электродных материалов в химических источниках тока.

Изобретение относится к композиции положительного электрода для вторичной батареи с неводным электролитом, содержащей: комплексный оксид лития и переходного металла, представленный общей формулойLiaNi1-x-yCoxM1yWzM2wO2(1,0≤a≤1,5, 0≤x≤0,5, 0≤y≤0,5, 0,002≤z≤0,03, 0≤w≤0,02, 0≤x+y≤0,7, М1 означает по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Mn и Al, М2 означает по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Zr, Ti, Mg, Ta, Nb и Mo); и исходное соединение бора.

Изобретение может быть использовано в производстве эффективных электродных материалов в химических источниках тока, сорбентов. Для получения композита диоксид титана/углерод TiO2/C проводят термическое разложение титансодержащего прекурсора в инертной атмосфере.

Изобретение относится к способу изготовления композитного катодного материала. Способ включает следующие стадии: получение гидрогеля или ксерогеля V2O5; выдержка в герметичном тефлоновом автоклаве при температуре 130-200°C и давлении 100-600 МПа в течение суток смеси, содержащей гидрогель или ксерогель V2O5, и углеродного материала с получением композиционного материала, содержащего наностержни V2O5 в оболочке из графена; центрифугирование полученного композиционного материала; промывка композиционного материала; сушка композиционного материала при температуре 50°C.

Изобретение относится к электрохимическим устройствам с твердым оксидным электролитом и может быть использовано в качестве кислородного электрода в электрохимических датчиках кислорода, работающих в окислительных средах в интервале температур 700-1000°C.

Настоящее изобретение относится к литий-ионной вторичной батарее, имеющей электродный элемент, в котором положительный электрод и отрицательный электрод размещены таким образом, чтобы быть напротив друг друга, раствор электролита и наружный корпус контейнера для содержания электродного элемента и раствора электролита, в которой: отрицательный электрод формируют с использованием второго активного материала отрицательного электрода, который получают легированием литием первого активного материала отрицательного электрода, который содержит металл (а), способный образовывать сплав с литием, оксид (b) металла, способный абсорбировать и десорбировать ионы лития, и углеродсодержащий материал (с), способный абсорбировать и десорбировать ионы лития; и раствор электролита содержит соединение на основе фторированного простого эфира, представленное предварительно заданной формулой, в которой содержатся алкильная группа или фторзамещенная алкильная группа.

Изобретение относится к области производства литий-ионных источников тока, в частности к способу с получения стержневидных кристаллов оксида ванадия, способу получения из них электрода, а также к электроду, содержащему в своем составе стержневидные кристаллы оксида длиной 1-1000 мкм и толщиной 0,01-1 мкм с формулой LixV2O5·nH2O, где x=0,01-5, n=0-5.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления электродов электрохимических устройств с твердым электролитом. Снижение поляризационного сопротивления электрода, а также улучшение протекания электродных реакций газообмена является техническим результатом предложенного изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения катодного материала со структурой НАСИКОН для литиевой автономной энергетики (гибридного транспорта, электромобилей, буферных систем хранения энергии и т.д.).
Изобретение может быть использовано при получении электродных материалов для литий-ионных химических источников тока. Для получения титаната лития состава Li4Ti5O12 со структурой шпинели готовят раствор соли титана.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения нанокомпозиционных положительных электродов для литий-ионных аккумуляторов. При реализации способа выбирают наноразмерный порошок катодного материала на основе соединения Li2MeSiO4, либо LiMePO4, либо LiMeO2, где Me - переходные металлы, покрывают их тонкой пленкой на основе системы LixMeyO, где Me - V, Ge, Nb, Mo, La, Ta, Ti, толщиной 5-7 нм, затем проводят термообработку покрытых порошков при температуре 300-500°С в течение 10-12 ч, из полученного композиционного материала изготавливают положительный электрод, на который наносят пассивационное покрытие на основе Al2O3 с использованием реагента триметилалюминия (ТМА) и паров воды, далее проводят термообработку электродов в течение 10-12 ч при температуре 180-200°С.

Изобретение относится к литий-ионной батарее с неводным электролитом и способу ее изготовления. Вторичная литий-ионная батарея (100) с неводным электролитом включает токособирающую фольгу (21) отрицательного электрода и смесевой слой (22) отрицательного электрода, который расположен на токособирающей фольге отрицательного электрода, при этом смесевой слой отрицательного электрода содержит множество гранулированных частиц, каждая из которых содержит активный материал (2) отрицательного электрода и покрывающую пленку (4).

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для производства улучшенного катодного активного материала литий-ионных аккумуляторных батарей с повышенной удельной емкостью при циклировании токами высокой плотности.

Изобретение относится к способу получения структуры тонкопленочного катода на основе системы Li2Fe0,5Mn0,5SiO4 и позволяет получить катод с монокристаллической бездефектной структурой с равномерным распределением химического состава по объему.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения тонкопленочного анода, и может быть использовано при изготовлении литий-ионных аккумуляторных батарей.

Изобретение относится к литиевому электроду, содержащему электродный композит, включающий в себя пористый металлический токоотвод и металлический литий, введенный в поры, присутствующие в металлическом токоотводе, и защитную мембрану для проводимости по иону лития, причем защитная мембрана образована на по меньшей мере одной поверхности электродного композита, при этом металлический литий введен в количестве от 1 до 50 мас.% относительно общей массы электродного композита.
Изобретение относится к аноду, применимому в аккумуляторе литий-ионной батареи, содержащему электролит на основе соли лития и неводного растворителя, к способу изготовления этого анода и к литий-ионной батарее с одним или более аккумуляторами, включающими в себя этот анод.

Изобретение относится к положительному электроду для литиево-воздушной батареи, а также к способу его приготовления. Положительный электрод для литиево-воздушной батареи содержит: токоотвод положительного электрода, образованный пористым металлом; и активный слой положительного электрода, предусмотренный на токоотводе положительного электрода и включающий в себя проводящий материал и катализатор для восстановления кислорода, и при этом пористый металл имеет диаметр пор, равный или больший 20 нм и равный или меньший 1 мм.

Изобретение относится к катоду для литиево-серной батареи, а также к способу его приготовления. Катод для литиево-серной батареи включает активную часть катода, включающую в себя сероуглеродный композит; и слой покрытия катода, предусмотренный по меньшей мере на части поверхности активной части катода и включающий в себя неорганический оксид, при этом слой покрытия катода содержит поры, имеющие средний диаметр от 0,5 до 10 мкм, и пористость слоя покрытия катода составляет от 20 до 70%.

Изобретение относится к композиции положительного электрода для вторичной батареи с неводным электролитом, содержащей: комплексный оксид лития и переходного металла, представленный общей формулойLiaNi1-x-yCoxM1yWzM2wO2(1,0≤a≤1,5, 0≤x≤0,5, 0≤y≤0,5, 0,002≤z≤0,03, 0≤w≤0,02, 0≤x+y≤0,7, М1 означает по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Mn и Al, М2 означает по меньшей мере один металл, выбранный из группы, состоящей из Zr, Ti, Mg, Ta, Nb и Mo); и исходное соединение бора.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения нанокомпозиционных положительных электродов для литий-ионных аккумуляторов. При реализации способа выбирают наноразмерный порошок катодного материала на основе соединения Li2MeSiO4, либо LiMePO4, либо LiMeO2, где Me - переходные металлы, покрывают их тонкой пленкой на основе системы LixMeyO, где Me - V, Ge, Nb, Mo, La, Ta, Ti, толщиной 5-7 нм, затем проводят термообработку покрытых порошков при температуре 300-500°С в течение 10-12 ч, из полученного композиционного материала изготавливают положительный электрод, на который наносят пассивационное покрытие на основе Al2O3 с использованием реагента триметилалюминия (ТМА) и паров воды, далее проводят термообработку электродов в течение 10-12 ч при температуре 180-200°С.
Наверх