ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КАЛИЙ-ИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Щелканова М.С.^(1,2)

⁽¹⁾ Уральский федеральный университет

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19

⁽²⁾ Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

620137, г. Екатеринбург, ул. Академическая, д. 20

В настоящее время актуальной задачей электрохимической энергетики является разработка высокоэнергоёмких аккумуляторов, не содержащих литий. Одним из путей решения этой проблемы является переход к источникам тока, в которых в качестве анодных материалов используются другие щелочные металлы. В последнее время наблюдается интерес к калий-ионным батареям благодаря их повышенной безопасности и доступности ресурсов калия в природе. Разработка таких батарей в основном ограничена отсутствием катодных материалов, поскольку сложно найти подходящие материалы, обладающие структурой, обеспечивающей обратимое многократное внедрение-извлечение крупных катионов K⁺. В литературе оксиды ванадия изучаются в качестве катодных материалов для химических источников тока благодаря их слоистой структуре, способной к обратимому внедрению ионов щелочных металлов (Li, Na, K).

Данная работа посвящена исследованию физико-химических свойств калий-ванадиевого оксида KV₃O₈ и оценки возможности его применения в качестве катодного материала для полностью твердотельного калий-ионного источника тока. Путём взаимодействия исходных компонентов K₂СО₃ и NН₄VО₃ в водном растворе с последующей термообработкой при температуре 450 ℃ получен наноструктурированный KV₃O₈ с размером зерна менее 100 нм. На постоянном токе и с помощью метода импедансной спектроскопии в интервале от 25 до 200 ℃ изучена температурная зависимость проводимости соединения и установлено, что KV₃O₈ обладает необходимой для катодного материала смешанной ионно-электронной проводимостью (величина электронной проводимости составляет 6·10^-3 См/см при комнатной температуре). На основе калий-ванадиевого оксида KV₃O₈ собран и испытан макет симметричного полностью твердотельного источника тока KV₃O₈|K⁺ твёрдый электролит|KV₃O₈. При циклировании такой ячейки предполагается, что на катоде и аноде будут протекать противоположные процессы интеркаляции и деинтеркаляции калия в матрицу калий-ванадиевого оксида. Вольтамперометрическое исследование ячейки показало, что при циклировании деградации свойств катодного материала и твердофазной границы не происходит. Кроме того, калий ванадиевый оксид KV₃O₈ обладает хорошей адгезией к поверхности твердого электролита K_0.8Al_0.8Ti_0.2O₂ и не взаимодействует с ним при повышенных температурах порядка 380 °С. Таким образом, калий-ванадиевый оксид KV₃O₈ можно рекомендовать в качестве катодного материала для среднетемпературного полностью твердофазного калий-ионного источника тока.