Технология получения анодных материалов для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов из возобновляемого растительного сырья и отходов сельско-хозяйственных культур

Развитие современных технологий энергосбережения невозможно без применения эффективных и доступных источников тока. Литий-ионные (полимерные) аккумуляторы являются одними из самых значимых и предпочтительных источников тока для современных электронных приборов и устройств. Особое значение при производстве литий-ионных (полимерных) аккумуляторов уделяется анодным материалам с высокой емкостью по отношению к интеркаляции лития и циклируемостью. Важной задачей в области развития материалов литий-ионных (полимерных) аккумуляторов является разработка интенсивных и энергосберегающих технологий получения анодных материалов и расширение сырьевой базы. В качестве анодных матриц для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов используются различные углеродные материалы: графит, кокс, твердый углерод, пиролитический углерод, нанотрубки и фуллерены, а также различные композиционные материалы. Традиционным сырьем для получения анодных матриц служит углеводородное сырье. Однако в мире происходит неизбежное истощение природных запасов углеводородного сырья, что приводит к повышению его стоимости. Кроме этого во многих странах мира углеводородные ресурсы являются дефицитом, технология их добычи и переработки зачастую наносит вред окружающей среде.

Таким образом, значительный интерес представляет технология получения анодных матриц из растительного сырья. В частности, таким видом сырья являются крупнотоннажные отходы сельскохозяйственных (далее с/х) культур, которые имеют низкую себестоимость, экологически приемлемы и являются возобновляемой биомассой.

В настоящее время в области материалов для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов накоплен большойтеоретический и практический опыт, отраженный в работах Кедринского И. А., Дмитриенко В. Е., Грудьянова И. И., Багоцкого В. С., Скундина А. М., Таганова А. А., Пак И. А., Фиалкова А. С., Ефимова О. Н., Ярмоленко О. В., Aurbach D., Shlaiker С., Marphy R., Hironosuke I., Fucuda M. [1−12]. Тем не менее, проблема получения материалов анода из возобновляемого растительного сырья разработана недостаточно.

В связи с многообразием отечественной и зарубежной литературы в области материалов для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов и химических источников тока в целом, в первой главе проведен анализ современного состояния вопросов использования, развития и совершенствования химических источников тока, подробно рассмотрены материалы для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов, особый акцент сделан на нетрадиционных анодных матрицах.

Во второй главе разработана технология получения и модифицирования экспериментальных анодных матриц из возобновляемого растительного сырьяпобегов бамбука и тростникового сахара на экспериментально сконструированной энергосберегающей установке. Из полученных и исследованных анодных матриц собрана опытная серия литий-полимерных аккумуляторов (завод «TSE», Китай, г. Аньзи), проведено их электрохимическое тестирование, которое подтвердило полноценные рабочие характеристиками полученных источников тока.

В третьей главе приведена технология сборки литий-ионных аккумуляторов на базе цилиндрической формы типа размера BR 1225. В качестве анодного материала использовались анодные матрицы, полученные при различных температурах из возобновляемого растительного сырья: побегов бамбука и тростникового сахара. Таким образом, в данной главе была экспериментально апробирована технология сборки вторичных источников тока на базе цилиндрических форм для первичных источников тока.

Четвертая глава посвящена получению нанодисперсного порошка кремния магнетермическим восстановлением SiC>2 (диоксида кремния) в условиях меха-ноактивации, для создания анодных композиционных материалов системы: «углерод — кремний», где углерод выступает в роли матрицы, а кремний в роли наполнителя (активной фазы).

В пятой главе разработана технология получения анодных матриц из возобновляемого растительного сырья — отходов с/х культур.

Пиролизом в кварцевом реакторе без доступа кислорода при температуре 900 °C с применением метода механоактивации были получены экспериментальные модификации углерода (анодные матрицы) из возобновляемого растительного сырья — отходов с/х культур (отходы пшеницы, овса, гречихи, семян подсолнечника, зерен кукурузы и риса, а также бобов кофе, листьев чая, свекольного сахара).

Шестая глава посвящена технологии получения углеродных композиционных материалов системы: «углерод-кремний», где углерод выступает в роли матрицы, а кремний в роли наполнителя (активной фазы). В качестве исходного сырья использовали модификации углерода, полученные из возобновляемого растительного сырья и нанодисперсный кремний чистотой -96%. Углерод допиро-вали кремнием в следующих процентных соотношениях: 0,1%, 1%. Полученную смесь углерода и кремния подвергали процессу механоактивации.

Таким образом, цель данного исследования — создание энергосберегающей технологии получения анодных матриц из возобновляемого растительного сырья: тростникового сахара, побегов бамбука, отходов с/х культур, а также получение анодных матриц повышенной эксплуатационной надежности композиционного материала системы: «углерод-кремний» для литий-ионных аккумуляторов.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Создана экспериментальная установка для получения анодных матриц из возобновляемого растительного сырья (патент РФ на полезную модель № 67 777 Попович А. А., Онищенко Д. В. «Устройство для изготовления анодного материала» от 27.10.2007).

2. На экспериментальной установке получены и модифицированы анодные матрицы для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов из возобновляемого растительного сырья: побегов бамбука и тростникового сахара.

3. Экспериментально установлены процентные соотношения эффективного модифицирования анодных матриц.

4. С помощью современных методов электронно-сканирующей микроскопии и рентгенофазового анализа выявлены особенности структуры полученных анодных матриц.

5. Результатами электрохимических исследований показано, что литий-полимерные аккумуляторы с экспериментальными анодными материалами имеют полноценные рабочие характеристики, соответствующие стандартным параметрам для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов.

6. Экспериментально апробирована технология сборки вторичных источников тока на базе цилиндрических форм для первичных источников тока.

7. Методом магнетермического восстановления SiCb в условиях меха-ноактивации получен нанодисперсный порошок кремния с размером частиц от 0,009−0,1 мкм, необходимым для получения энергоемких композитных анодных материалов.

8. Пиролизом в кварцевом реакторе при температуре 900 °C получены модификации углерода из возобновляемого растительного сырья: отходов с/х культур, бобов кофе, листьев чая.

9. Достигнуты высокие физико-хические характеристики полученных углеродных порошков (анодных матриц): высокая удельная поверхность порошков, высокая насыпная и физическая плотности, низкая зольность, которые близки по значению величин с коммерческими анодными матрицами.

10. Методом электронно-сканирующей микроскопии (ЭСМ) установлено, что полученные углеродные порошки являются полидисперсными с размером частиц 0,1−12 мкмпревалирующее число частиц (около 80%) имеет размер 0,1−4 мкм. Форма, размер и дисперсность частиц зависят от природы растительного сырья и методов их получения.

11. Механоактивацией на энергонапряженной мельнице конструкции ДВГТУ получены композиционные материалы системы углерод + нанодисперсный кремний, достигнута высокая дисперсность и высокоразвитая поверхность композитных порошков.

12. При помощи рентгеновского энергодисперсионного микроанализа показано, что при соотношении 99%> углерода + 1% кремния нанодисперсный кремний равномерно распределен по всему объему углеродной матрицы.

13. Полученные композиционные модификации могут служить эффективным материалом анода для литий-ионных (полимерных) аккумуляторов.