Разработка технологии получения электродных материалов для литий-ионных батарей из сподуменовой руды казахстанского месторождения

Цель исследования – разработка технологии получения инновационных электродных материалов для современных литиевых батарей. Отработана эффективная технология доочистки технического карбоната лития до уровня аккумуляторного качества (99,95%), включающая процессы каустификации технического карбоната лития, ультрафильтрации и ионообменной сорбции раствора гидроксида лития с последующим осаждением карбоната лития карбонатом аммония. Подобраны и исследованы катионообменные смолы марок Purolite S930Plus, Purolite S940, Purolite S950 для сорбционной очистки литийсодержащих растворов от примесей кальция и магния. В качестве наиболее эффективных катионитов рекомендованы Purolite S940 и Purolite S950. Определены и исследованы кинетические параметры сорбции кальция и магния на катионите Purolite S940. Установлен режим проведения бикарбонизации при комнатной температуре и давлении 0,3 атм. Синтезированы и исследованы золь-гель методом образцы литий-железофосфата. Методом рентгеновской дифракции исследованы структуры полученных электродных материалов, соответствующих стандартному профилю литий-железо-фосфата. Тестирование синтезированных электродных материалов в структуре литиевых полуячеек и в пуговичных ячейках показало хорошие электрохимические свойства, стабильную работу аккумуляторов, высокую интеркаляционную обратимость ионов лития в образцах в пределах потенциалов 2,5–4,3 В. Конечным результатом данной работы являются инновационные катодные и анодные материалы нового поколения для современных литий-ионных аккумуляторов со значительно увеличенной емкостью и стабильностью работы, полученные из литиевых прекурсоров – карбоната лития аккумуляторного сорта на основе отечественного минерального и техногенного сырья.

1. Cho G.-B., Noh J.-P., Sung H.-J., Choi S.-Y., Lee S.-H., Ahn H.-J., et al. Improved electrochemical properties of patterned Si film electrodes // Microelectronic Engineering. 2012. Vol. 89. Р. 104– 108. https://doi.org/10.1016/j.mee.2011.03.141.

2. Dudney N. J. Thin film micro-batteries // The Electrochemical Society Interface. 2008. Vol. 17, no. 3. P. 44–48. https://doi.org/10.1149/2.F04083IF.

3. Bakenov Z., Nakayama M., Wakihara M. A nonflammable lithium polymer battery with high performance for elevated temperature applications // Electrochemical and Solid-State Letters. 2007. Vol. 10, no. 9. P. A208–A211. https://doi.org/10.1149/1.2750229.

4. Bakenov Z., TaniguchiI I. Electrochemical performance of nanocomposite LiMnPO4/C cathode materials for lithium batteries // Electrochemistry Communications. 2010. Vol. 12, no. 1. P. 75–78. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2009.10.039.

5. Nitta N., Wu F., Lee J. T., Yushin G. Li-ion battery materials: present and future // Materials Today. 2015. Vol. 18, no. 5. P. 252–264. https://doi. org/10.1016/j.mattod.2014.10.040.

6. Schmidt O., Hawkes A., Gambhir A., Staffell I. The future cost of electrical energy storage based on experience rates // Nature Energy. 2017. Vol. 6, no. 8. Article number 17110. 8 p. https://doi.org/ 10.1038/nenergy.2017.110.

7. Chen J. Recent progress in advanced materials for lithium ion batteries // Materials. 2013. Vol. 6, no. 1. P. 156–183. https://doi.org/10.3390/ma6010156.

8. Tarascon J. M., Armand M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries // Nature. 2001. Vol. 414. P. 359–367. https://doi.org/10. 1038/35104644.

9. Yoshino A. The birth of the lithium-ion battery // Angewandte Chemie International Edition. 2012. Vol. 51, no. 24. P. 5798–5800. https://doi.org/ 10.1002/anie.201105006.

10. Armand M., Tarascon J. M. Building better batteries // Nature. 2008. Vol. 451. P. 652–657. https://doi.org/10.1038/451652a.

11. Zaghib K., Dontigny M., Guerfi A., Charest P., Rodrigues I. R., Mauger A., et al. Safe and fast charging Li-ion battery with long shelf life for power applications // Journal of Power Sources. 2011. Vol. 196, no. 8. P. 3949–3954. https://doi.org/ 10.1016/j.jpowsour.2010.11.093.

12. Bishimbayeva G., Zhumabayeva D., Zhandayev N., Nalibayeva A., Shestakov K., Levanevsky I., et al. Technological improvement lithium recovery methods from primary resources // Oriental Journal of Chemistry. 2018. Vol. 34, no. 6. P. 2762–2769. https://doi.org/10.13005/ojc/340611.

13. Жанабаева А. К., Налибаева А. М., Бишимбаева Г. К., Жумабаева Д. С., Абдикалыков Е. Н. Оптимизация сернокислотного метода переработки сподуменового сырья для получения карбоната лития аккумуляторного сорта // Инновации в области естественных наук как основа экспортоориентированной индустриализации Казахстана: материалы Международной науч.- практ. конф. (г. Алматы, 04–05 апреля 2019 г.). Алматы: Изд-во РГП «НЦ КПМС РК», 2019. С. 354–357.

14. Жумабаева Д. С., Жанабаева А. К., Налибаева А. М., Бишимбаева Г. К. Доочистка технического карбоната лития до аккумуляторного качества // Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации: сб. ст. XXVII Междунар. науч.-практ. конф. (г. Пенза, 15 октября 2019 г.). Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение», 2019. С. 25–28.

15. Bishimbayeva G. K., Zhumabayeva D. S., Zhanabayeva A. K., Nalibayeva A. M., Abdikalykov E. N., Bakenov Zh. B. Prospects for creating a full cycle of lithium production in Kazakhstan – from ore processing to lithium batteries // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of Chemistry and Technology. 2020. Vol. 5, no. 443. P. 38–45. https://doi.org/10.32 014/2020.2518-1491.78.

16. Bishimbayeva G. K., Zhanabayeva A. K., Kurmanbayeva I., Nalibayeva A. M., Zhumabayeva D. S., Bakenov Zh. B. Synthesis and modification of LiFePO4 cathode materials for lithium-ion batteries by aerosol pyrolysis method // Functional Materials. 2020. Vol. 27, no. 3. P. 581–586. https://doi.org/ 10.15407/fm27.03.581.

17. Zhumabayeva D. S., Bishimbayeva G. K., Zhanabaeva A. K., Nalibayeva A. M., Abdikalykov Y. N. Full cycle technology of lithium electrode materials for lib from domestic raw materials // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of Geology and Technical Sciences. 2020. Vol. 3, no. 441. P. 211–214. https:// doi.org/10.32014/2020.2518-170x.77.

18. Takahashi M., Tobishima Sh., Takei K., Sakurai Y. Characterization of LiFePO4 as the cathode material for rechargeable lithium batteries // Journal of Power Sources. 2001. Vol. 97-98. P. 508–511. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00728-5.

19. Fey G. T.-K., Lu T.-L. Morphological characterization of LiFePO4/C composite cathode materials synthesized via a carboxylic acid route // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 178, no. 2. P. 807–814. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.09.039.

20. Satyavani T. V. S. L., Srinivas Kumar A., Subba Rao P. S. V. Methods of synthesis and performance improvement of lithium iron phosphate for high-rate Li-ion batteries: A review // Engineering Science and Technology, an International Journal. 2016. Vol. 9, no. 1. P. 178–188. https://doi.org/10. 1016/j.jestch.2015.06.002.