№62-16

Струмотворчі механізми в літієвих джерелах струму на основі нанокомпозитів FeF3 / Fe2O3

В.В. Мокляк1, А.Б. Груб’як1, A.C. Коверя2, О.Ю. Свєткіна2

1 Інститут металофізики ім.Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, Україна

2 Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», Дніпро, Україна

Coll.res.pap.nat.min.univ. 2020, 62:177-186

https://doi.org/10.33271/crpnmu/62.177

Full text (PDF)

АНОТАЦІЯ

Мета. Встановлення закономірностей формування наноструктурованих станів оксидів і фторидів заліза та з’ясування механізмів перебігу електрохімічних струмотворчих реакцій у літієвих джерелах струму з катодами на їх основі.

Методика дослідження базується на використанні наступних методик: Х-променевий структурно-фазовий аналіз, месбауерівська спектроскопія, скануюча електронна мікроскопія, диференціально-термічний та термогравіметричний аналіз, адсорбційна порометрія, циклічна вольтамперометрія, хронопотенціометрія, імпедансна спектроскопія. Для математичної обробки, моделювання та інтерпретації результатів експерименту застосовувалось програмне забезпечення: Unіvеm MS 7.01, FullРrоf, РоwdеrСеll 2.4, FіndІt 1.3.3, Dіаmоnd 3.2і, ZVіеw-2, FRА-2.

Результати дослідження. Отримані результати досліджень полягають у визначенні закономірності формування наноструктурованих станів оксидів і фторидів заліза та розкритті механізмів перебігу електрохімічних струмотворчих реакцій у літієвих джерелах струму (ЛДС) з катодами на їх основі. Було встановлено взаємозв’язки між умовами синтезу, структурно-фазовим станом і морфологічними характеристиками синтезованих матеріалів та експлуатаційними параметрами відповідних макетів літієвих джерел струму.

Наукова новизна. В роботі встановлено, що фаза гематиту в складі нанокомпозитів FеF3 / α-Fе2О3 при невеликих значеннях ступеня впровадження іонів літію (х £ 1 ат./форм.од.) виступає в ролі структурностабілізуючого агента і є пасивною щодо перебігу струмотворчих процесів у відповідних ЛДС. При глибокому розряді до 0,5 В, а також при подальшому циклюванні зафіксовано її залучення до інтеркаляційного струмоутворення з наступною аморфізацією структури і зміною ступеня окислення іонів заліза із +3 до +2.

Практичне значення. Встановлені механізми формування наноструктурованих станів оксидів і фторидів заліза та взаємозв’язки між умовами отримання і властивостями кінцевих продуктів є науковим підґрунтям для подальшої розробки технологічних схем синтезу широкого спектру сполук перехідних 3d-металів в наноструктурованому стані. Отримані результати можуть бути використані в галузі електрохімічної енергетики для створення промислових прототипів джерел живлення та для подальшої оптимізації функціональних властивостей фторидів заліза.

Ключові слова: оксид заліза, трифторид заліза, наноструктурований стан, нанокомпозит, літієве джерело струму, електрохімія, фарадеївський процес.

Перелік посилань:

1.    Li, T., Li, L., Cao, Y. L., Ai, X. P., & Yang, H. X. (2010). Reversible three-electron redox behaviors of FeF3 nanocrystals as high-capacity cathode-active materials for Li-ion batteries. The Journal of Physical Chemistry C, 114 (7), 3190-3195.
       https://doi.org/10.1021/jp908741d

2.    Мокляк, В. В., Коцюбинський, В. О., Колковський, П. І., Груб'як, А. Б., & Збіглей, Л. З. (2015). Термоіндукований розклад гідратованого трифториду заліза в потоці арґону. Металлофизика и новейшие технологии, 37 (3), 355-365.
       https://doi.org/10.15407/mfint.37.03.0355

3.    Nénert, G., Fabelo, O., Forsberg, K., Colin, C. V., & Rodríguez-Carvajal, J. (2015). Structural and magnetic properties of the low-dimensional fluoride β-FeF3(H2O)2H2O. Dalton Transactions, 44 (31), 14130-14138.
       https://doi.org/10.1039/c5dt02242h

4.    Liu, J., Liu, W., Ji, S., Wan, Y., Gu, M., Yin, H., & Zhou, Y. (2014). Iron Fluoride Hollow Porous Microspheres: Facile Solution‐Phase Synthesis and Their Application for Li‐Ion Battery Cathodes. Chemistry–A European Journal, 20 (19), 5815-5820.
       https://doi.org/10.1002/chem.201304713

5.    Ma, D. L., Wang, H. G., Li, Y., Xu, D., Yuan, S., Huang, X. L., Zhang, X. B., & Zhang, Y. (2014). In situ generated FeF3 in homogeneous iron matrix toward high-performance cathode material for sodium-ion batteries. Nano Energy, 10, 295-304.
       https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.10.004

6.    Badway, F., Pereira, N., Cosandey, F., & Amatucci, G. G. (2003). Carbon-Metal Fluoride Nanocomposites: Structure and Electrochemistry of FeF3: C. Journal of The Electrochemical Society, 150 (9), A1209-A1218.
       https://doi.org/10.1149/1.1596162

7.    Badway, F., Cosandey, F., Pereira, N., & Amatucci, G. G. (2003). Carbon metal fluoride nanocomposites: High-capacity reversible metal fluoride conversion materials as rechargeable positive electrodes for Li batteries. Journal of the Electrochemical Society, 150 (10), A1318-A1327.
       https://doi.org/10.1149/1.1602454

8.    Коцюбинський, В. О., Мокляк, В. В., Колковський, П. І., & Груб’як, А. Б. (2012). Катодний матеріал на основі безводного фториду заліза. Проблеми електроніки та інфокумунікаційних систем: Матеріали ХVвідкритої науково-технічної конференції інституту телекомунікації, радіоелектроніки та електронної техніки, 75;

9.    Коцюбинський, В.О., Мокляк, В.В., Колковський, П.І., Груб’як, А.Б., & Ільницький, Р.В. (2012). Катодні матеріали літієвих джерел струму на основі дегідратованого фториду заліза. Modern problems of Condensed Matter: ІIІ-th International conference, 40.