Проект направлен на описание и выявление закономерностей ионного транспорта и электронной проводимости в электродном материале литий-ионных аккумуляторов LiMn2O4 (LMO) на уровне отдельных зёрен с целью улучшения их эксплуатационных характеристик, таких как предельные токи и циклируемость. Данные характеристики являются принципиальным для создания надёжных систем литий-ионных аккумуляторов с длительным жизненным циклом.
В ходе работы по проекту планируется изучить электрохимически характеризованные модельные тонкие плёнки LiNixMn2-xO4 (LMNO) с различной степенью замещения Mn (Национальный центр научных исследований Франции при Институте химии и материаловедения Восточного Парижа, Франция), наиболее подходящий объект для апробации комплекса используемых методик, и объёмные материалы LMO (Bosch, Германия), полученных из реальных литий-ионных аккумуляторов, эксплуатируемых в современной промышленности.
Для решения в рамках проекта сформулированы следующие задачи:
1. Анализ неоднородности распределения локальных коэффициентов диффузии и концентрации ионов лития методом микроскопии электрохимических деформаций в зависимости от степени делитиации в объемных образцах и тонких плёнках на основе LMO.
2. Анализ неоднородности распределения локальных коэффициентов диффузии в зависимости от числа циклов заряда-разряда в объемных образцах и тонких плёнках на основе LMO.
3. Исследование локальных вольт-амперных характеристик и распределения проводимости в зёрнах в зависимости от степени интеркаляции-деинтеркаляции и степени деградации электродных материалов.
4. Установление особенности протекания процесса интеркаляции-деинтеркаляции и деградации в LMO и LMNO и выявление условий уменьшения эффектов деградации.
5. Определение структурного состояния и степени заряда зёрен при помощи спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР) для сопоставления с их локальными электрохимическими свойствами
Для решения этих задач будет разработан подход на основе комбинации методик сканирующей зондовой микроскопии: микроскопия электрохимических деформаций, микроскопия сопротивления растекания, микроскопия зонда Кельвина, позволяющий исследовать локальные характеристики электродных материалов, таких как локальные коэффициенты диффузии ионов, подвижность носителей заряда, поверхностный потенциал, ионную и электронную проводимость с разрешением 10-20 нм. Результаты, полученные с использованием комбинированной методики, будут проанализированы совместно со данными СКР, полученными для отдельных зёрен, что позволит оценить локальную степень заряда материала и характеризовать трансформацию структуры при литиации.
В настоящее время, не смотря на очевидную необходимость в детальных исследованиях протекания электрохимических процессов на микро- и нанормазмерном уровне, большинство публикаций в LMO и других электродных материалах, связано либо с исследованием их макроскопических свойств зерен потенциометрическими методами, импедансной спектроскопией, или с микроскопическими исследованиями морфологии поверхности при помощи сканирующей электронной микроскопии, или с микроскопическими исследованиями структуры методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Указанные микроскопические методы не дают возможности исследовать функциональные свойства материалов, характеризующие ионную и электронную проводимость.
Сканирующая зондовая микроскопия, как метод исследования материалов для устройств накопления энергии, начиная с пионерских исследований в 2000-2010 годах в США, постепенно набирает популярность. В последнее время в печати всё чаще появляются публикации по исследованию локального ионного и электронного транспорта и диффузии в литий-ионных катодных материалах при помощи методов микроскопии зонда Кельвина, микроскопии сопротивления растекания и микроскопии электрохимических деформаций (МЭД). В настоящий момент, систематическая работа в области исследования твердотельных смешанных электронных и ионных проводников методами сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) ведётся в ряде ведущих мировых лабораторий, таких как Национальная лаборатория ОакРидж (США), Университет Вашингтона (США), Университет Сонгюнгвана (Южная Корея), Королевский университет Белфаста (Великобритания). Работа по данному направлению финансируется в том числе Министерством Энергетики США, как одна из наиболее приоритетных.
Однако важно отметить, что эти исследования стартовали относительно недавно, и на текущий момент времени это даёт возможность нашей группе, ввиду наличия современного оборудования и квалифицированных специалистов в области сканирующей зондовой микроскопии, участвовать в работе по данному направлению на конкурентном уровне.
