Потапенко Г. В. Вплив морфології і стану поверхні на властивості електродних матеріалів для літій-іонних акумуляторів високої потужності

Дисертацію присвячено розвитку наукових засад формування нанорозмірних і поверхнево-модифікованих електродних матеріалів та їхнього застосування у літій-іонних акумуляторах (ЛІА) високої потужності та ємності. У ній вперше розглянуто зв’язок нанорозмірності зі здатністю електродних матеріалів до деградації, вплив наноструктурування на властивості електродних матеріалів і можливість підвищення потужності електродних матеріалів за рахунок модифікування поверхні. Для електродних матеріалів складу LiNiyMnzCo1-y-zO2 з шаруватою структурою знайдено, що переведення Li1.2Ni0.2Mn0.52Co0.08O2 у нанорозмірний стан дозволяє досягти теоретичних значень питомої ємності. Допування Li1.2Ni0.16Co0.08Mn0.54O2 ванадієм підвищує його питому ємність і ефективність циклування. LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2 у формі одиничних, неагломерованих кристалів демонструє кращу здатність до розрядження великими струмами, ніж комерційний аналог. Для нанолистків і мікросфер ТіО2 та ажурних квазісферичних агрегатів LiMn2O4 у порівнянні з нанокристалічними зразками виявлено, що наноструктуровання не є засобом підвищення здатності електродних матеріалів до витримування значних струмових навантажень. Уперше знайдені відміни в електрохімічних властивостях звичайних і нанорозмірних електродних матеріалів в умовах перерозрядження (втиснення надлишку Li+ у структуру) та визначено шляхи реакцій надлітіювання. Зроблено висновок про вирішальну роль зменшення розміру частинок у взаємодії електродних матеріалів з іонами літію та у зменшенні їхньої стійкості до деградації. Це доводить неприпустимість практичного використання нанорозмірних електродних матеріалів в умовах перерозрядження. Доведено, що регулювання стану поверхні значно підвищує продуктивність електродних матеріалів. Так, покриття Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2 оксидом алюмінію дозволяє збільшити питому ємність матеріалу. Вперше одержано структури LiNi0.5Mn1.5O4@LiMn2O4 і РРу@ LiMn2O4, для яких модифікування поверхні дає змогу досягти надвисоких струмів розрядження (65 С і 300 С, відповідно). Цей підхід відкриває перспективи для створення матеріалів для ЛІА надвисокої потужності, порівнянної з потужністю суперконденсаторів. На прикладі композиту РРу@LiMn2O4 виявлено внесок псевдоємнісних ефектів у процес інтеркалювання та вперше запропоновано метод оцінки глибини втиснення іонів літію в електродний матеріал. Доведено переваги водорозчинних зв’язуючих над звичайно використовуваним полівініліденфторидом, зокрема, уперше відзначено можливість досягти збільшення не тільки питомої ємності, а й потужності ЛІА при їх використанні завдяки кращій адгезії електродного матеріалу до поверхні колектора струму. Ключові слова: літій-іонні акумулятори, висока потужність, висока ємність, нанорозмірність, наноструктурування, модифікування поверхні.