ИСТИНА

Принципиальная задача фундаментального характера, которая непосредственно связана с вопросами эффективной работы литиевых источников тока, касается вопросов формирования поверхностных пленок в ходе процессов интеркаляции и деинтеркаляции лития в электродные материалы. Образование таких пленок (в мировой научной литературе они получили название: solid electrolyte interface, сокращенно - SEI) и их рост являются основными причинами снижения рабочих характеристик данных источников тока и их выхода из строя. В предлагаемом проекте планируется провести исследования процессов интеркаляции и деинтеркаляции лития в углеродные и другие материалы, используя методику электрохимических измерений на электродах, поверхность которых подвергается периодическому механическому обновлению in situ, т.е., без разрыва электрохимической цепи. Данная методика позволяет создавать идентичную начальную поверхность электрода и, таким образом, стандартизовать проводимые исследования процессов интеркаляции-деинтаркаляции лития в электродные материалы и детально анализировать формирование и рост пленок SEI на отдельных стадиях работы электрода. В этом состоит основная новизна предлагаемого исследования. Мы считаем, что, используя данный подход, нам удастся получить важные с научной и практической точек зрения новые данные о механизме формирования пленок SEI и возможных путях оптимизации их состава, структуры, проницаемости ионами электролита и т.д.

The fundamental goal of this project is associated directly with operation of lithium cells and concerns the problems of surface film formation in the course of lithium intercalation-deintercalation into electrode materials. The formation of such films (called "solid electrolyte interface" - SEI) and their growth are the reasons for deterioration of working characteristics of these cells and their failure. In the proposed project, we are going to carry out investigations of lithium intercalation-deintercalation into carbon and other materials by using the method of electrochemical measurements on electrodes with the surface periodically mechanically renewed in situ, i.e., without breaking the electrochemical circuit. This method makes it possible to create the electrode surface identical to its initial surface, thus standardizing the studies of lithium intercalation-deintercalation, and analyze in detail the formation and growth of SEI films in individual stages of electrode operation. This is the main novelty of the proposed project. We believe that this approach will allow us to obtain new data on the mechanism of SEI films formation and also on the possible ways of optimization of SEI composition, structure, and permeability for electrolyte ions, etc., which is important from the standpoint of both practice and fundamental science.

Предполагается, что по итогам выполненного исследования будут получены следующие результаты: - будут решены методические вопросы приготовления различных электродов (алюминий, некоторые сплавы, углеродные материалы), поверхность которых периодически обновляется механическим срезом; - будут отработаны методики исследования электрохимических процессов интеркаляции-деинтеркаляции лития на электродах, поверхность которых периодически обновляется механическим срезом; - будут получены данные о кинетике процессов интеркаляции-деинтеркаляции лития в ходе отдельных циклов на различных по своей природе электродах, а также данные о побочных процессах, приводящих изменению морфологии поверхности и к деградации этих электродов (формирование и рост толщины пленок SEI, оценка их удельного сопротивления); - будут получены данные о кинетике формирования пленок SEI на ряде углеродных материалов в ходе первого цикла интеркаляции-деинтеркаляции лития в зависимости от величины зарядной-разрядной плотности тока; - с использованием данных импедансного метода будет исследовано влияние концентрации солей лития на кинетику формирования пленок SEI на ряде электродных материалов в ходе начальных и последующих циклов интеркаляции-деинтеркаляции лития в различных по составу электролитных системах. На наш взгляд, комплекс полученных данных позволит существенно уточнить существующие в настоящее время представления о механизме процессов, связанных с формированием пленок SEI на электродных материалах в ходе циклов интеркаляции-деинтеркаляции в них лития. Очевидно, что такого рода результаты представляют интерес как с научной, так и практической точек зрения.

В коллективе, представляющем настоящий проект, активно используется методика электрохимических исследований на твердых металлических электродах, поверхность которых периодически обновляется in situ, т.е., не прерывая электрохимической цепи. В данной методике обновление поверхности осуществляется путем механического среза сапфировым резцом тонкого слоя металла (~10 мкм) непосредственно в растворах электролитов. В плане возможности прецизионных исследований эффектов, связанных с процессами, протекающими на поверхности электродов из сплавов и их отдельных компонентов, разработанная методика, по существу, уникальна. С ее помощью удается решить очень серьезную для твердых электродов проблему получения надежных и хорошо воспроизводимых экспериментальных результатов, поскольку, во-первых, ее применение позволяет избежать контакта электрода с атмосферой, приводящего обычно к неконтролируемым загрязнениям поверхности. А, во-вторых, принципиально важным преимуществом подхода, основанного на этой методике, является возможность в результате механического обновления электрода создавать хорошо воспроизводимое стартовое состояние поверхности, относительно которого можно фиксировать процессы, протекающие на границе раздела фаз. Нам представляется весьма перспективным использовать эти особенности данной методики при решении задач, поставленных в данном проекте.

- Решены методические вопросы приготовления различных электродов (алюминий, некоторые сплавы, углеродные материалы), поверхность которых периодически обновляется механическим срезом; - Отработаны методики исследования электрохимических процессов интеркаляции-деинтеркаляции лития на электродах, поверхность которых периодически обновляется механическим срезом; - Получены данные о кинетике процессов интеркаляции-деинтеркаляции лития в ходе отдельных циклов на алюминиевом и графитовом электродах, а также данные о побочных процессах, приводящих изменению морфологии поверхности и к деградации этих электродов (формирование и рост толщины пленок SEI, оценка их удельного сопротивления); - Получены данные о кинетике формирования пленок SEI на графитовом электроде в ходе интеркаляции-деинтеркаляции лития в зависимости от скорости развертки потенциала; - С использованием данных импедансного метода исследовано влияние концентрации солей лития на кинетику формирования пленок SEI на графитовом электроде в ходе начальных и последующих циклов интеркаляции-деинтеркаляции лития в различных по составу электролитных системах. - Разработана модифицированная методика обработки емкостных кривых на электродах, обладающих полупроводниковыми свойствами. С ее помощью впервые были рассчитаны потенциал плоских зон исследованного графитового электрода и число электронов в области пространственного заряда. Полученные результаты представляют интерес как с научной, так и практической точек зрения.