Проект направлен на исследование взаимодействия лазерного излучения с электродными материалами литий-ионных аккумуляторов. Объектами исследования являются представители всех основных типов оксидных электродных материалов – LiCoO2 со слоистой структурой, LiFePO4 со структурой оливина, LiMn2O4 и Li4Ti5O12 со структурой шпинели. Проект является междисциплинарным и нацелен на помощь в решении задач химии твердого тела и электрохимии физическими методами. Для химии и физики твердого тела данный проект важен для развития неповреждающих методов контроля на базе спектроскопии комбинационного рассеяния света, поскольку позволит различать дефектность, возникающую при синтезе, и дефектность, индуцированную внешним воздействием в ходе эксперимента по измерению свойств. Также проект закладывает научные основы инженерии дефектов при помощи лазерного излучения, когда свойства материала меняются при помощи модификации структуры. Для задач электрохимии данный проект может быть интересен тем, что деградация, индуцированная лазерным излучением, может быть рассмотрена как модельный эксперимент по исследованию широкого класса деградационных процессов в данных материалах. С точки зрения физики, данное исследование представляет интерес для понимания процессов, протекающих при воздействии лазерного излучения на объект исследования, чьи размеры сопоставимы с длиной волны излучения. Такие микронные объекты весьма сложны и для экспериментального, и для теоретического описания c точки зрения физики, поэтому такие исследования для электродных материалов практически не проводились.
При этом практическую значимость предложенных исследований также трудно переоценить. Электрический транспорт и возобновляемая энергетика играют все возрастающую роль в мировой экономике. Быстрое наращивание производственных мощностей и постоянные требования к снижению стоимости производства существенно повышает актуальность развития методов контроля качества электродных материалов. И научные исследования на стыке физики и химии дефектов могут позволить сделать спектроскопию комбинационного рассеяния света эффективным инструментом для исследования структурных и фазовых неоднородностей.
Ожидаемые результаты
Основные результаты проекта:
1) Физическо-химическая модель, описывающая особенности формирования фазовых и структурных неоднородностей в LiFePO4, LiCoO2, LiMn2O4/LiNi0.5Mn1.5O4 и Li4Ti5O12 в результате воздействия лазерного излучения при измерении спектров комбинационного рассеяния света. Этот результат важен как для развития методов не повреждающего контроля, так и для контролируемого создания дефектов.
2) Зависимости параметров спектров комбинационного рассеяния света от температуры и мощности возбуждающего излучения для LiFePO4, LiCoO2, LiMn2O4/LiNi0.5Mn1.5O4 и Li4Ti5O12. Этот результат важен как для исследования особенности взаимодействия лазерного излучения с веществом, там и для уточнения фазовых диаграмм данных материалов.
3) Уточненная качественная или количественная оценка латерального и вертикального разрешения микро-спектроскопии КРС для порошков LiCoO2, LiMn2O4/LiNi0.5Mn1.5O4 и Li4Ti5O12.
4) Методические рекомендации по измерению спектров КРС электродных материалов с использованием лазерного излучения малой интенсивности при помощи поверхностно-усиленной спектроскопии комбинационного рассеяния света (Surface-enhanced Raman spectroscopy или сокращенно SERS). Этот результат важен для проведения структурных исследований с минимальным воздействием и позволит расширить возможности спектроскопии КРС для исследования структуры материалов, чувствительных к лазерному излучению.
5) Методические рекомендации по развитию методов не повреждающего контроля на базе спектроскопии КРС. Этот результат имеет важное значение так как такие методы могут быть использованы как научными группами, так и промышленными компаниями для входящего и исходящего контроля качества.
Помимо чистых (исходных) Li4Ti5O12 возможно будет исследованы образцы с частичным замещением Li или Ti на Mn или Cr, что позволит повысить вероятность индуцированной лазерным излучением декомпозиции. Для образцов LiMn2O4 и LiNi0.5Mn1.5O4 будут проведены первичные измерения и основная часть результатов будет получена только для одного состава.
Все результаты будут соответствовать мировому уровню и опубликованы в ведущих журналах (преимущественно первого и второго квартиля в своих категориях).
