Плазмохимический синтез SN/C наноматериалов в процессе дугового разряда и применение в качестве анодного материала Li-ионных аккумуляторов

При помощи электродугового распыления композитных олово-графитовых электродов был проведен плазмохимический синтез олово-углеродных наноматериалов. Впервые было установлено, что вариация внешних условий синтеза, таких как состав распыляемых электродов, давление буферного газа, сила тока дугового разряда приводят к изменению плазмохимических и газодинамических процессов в камере реактора. Это влияет на структуру и морфологию синтезируемых наноматериалов. Наноматериалы представляют собой сферические оловянные наночастицы, запакованные в углеродную матрицу, надежно удерживающую их внутри и предотвращающую их контакт, и слияние. 

Распределение атомов жидкого олова в сечении перпендикулярном оси разряда для различных давлений буферного газа (а). Зависимость среднего размера оловянных наночастиц от давления буферного газа (б).

Плазмохимические и газодинамические процессы влияют на структурные особенности как оловянных наночастиц, так и углеродной матрицы. Впервые было установлено, как структурные и морфологические особенности оказывают влияние на электрохимические свойства олово-углеродных наноматериалов, используемых в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов. Так, увеличение содержания олова в наноматериалах приводит к возрастанию удельной емкости аккумуляторов, однако увеличение размера оловянных наночастиц негативно сказывается на стабильности такого материала при продолжительном циклировании электрохимической ячейки из-за больших объемных колебаний в процессах заряда-разряда. Наличие полностью закрывающей оловянные наночастицы углеродной оболочки предотвращает контакт олова с электролитом и не допускает деструктивных химических реакций. Однако увеличение степени графитизированности углеродной оболочки приводит к увеличению ее жесткости и последующему разрушению в процессе объемных осцилляций при многократных зарядах-разрядах аккумуляторов. Определены условия синтеза, при которых формируется олово-углеродный материал со стабильной структурой, которая даёт значения удельной емкости более 350 мАч/г при плотности тока 100 мА/г на протяжении 160 циклов заряда-разряда, что более чем на 100 мАч/г больше, чем используемые коммерческие графитовые материалы.

ИТ СО РАН, НГУ, Aalto University (Finland), с.н.с., к.ф.-м.н., Зайковский А.В., м.н.с. Юдин И.Б., ст. лаб. Юрченкова А.А., студ. Козлачков Д.В, к.х.н. Федоровская Е.О., тел.: +7 (383) 333-10-95.