ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЛИГНИНА КЛАСОНА В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА

  • Сергей (Sergej) Васильевич (Vasil'evich) Гнеденков (Gnedenkov) Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
  • Денис (Denis) Павлович (Pavlovich) Опра (Opra) Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
  • Людмила (Ljudmila) Алексеевна (Alekseevna) Земнухова (Zemnuhova) Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
  • Сергей (Sergej) Леонидович (Leonidovich) Синебрюхов (Sinebrjuhov) Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
  • Александр (Aleksandr) Николаевич (Nikolaevich) Минаев (Minaev) Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
  • Илья (Il'ja) Анатольевич (Anatol'evich) Кедринский (Kedrinskij) Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049
  • Валентин (Valentin) Иванович (Ivanovich) Сергиенко (Sergienko) Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
Ключевые слова: лигнин Класона, литиевый источник тока, органический электродный материал, шелуха гречихи

Аннотация

Оценена возможность использования лигнина Класона, выделенного из шелухи гречихи (род Fagópyrum Mill.), в качестве катодного материала литиевого химического источника тока. С использованием взаимодополняющего комплекса методов исследования, а именно энергодисперсионного анализа, сканирующей электронной микроскопии электрохимической имедансной спектроскопии и термогравиметрического анализа  исследованы элементный состав, морфологическая микроструктура, электропроводность и термическое поведение лигнина Класона. Посредством гальваностатического разряда при плотностях тока 75 и 100 мкА/см2 при комнатной температуре изучены электрические эксплуатационные параметры системы литий/лигнин. Исследовано влияние степени измельчения материала катода на электрохимические характеристики литиевого источника тока. Установлено, что удельная разрядная емкость лигнина достигает 600 мА·ч/г (относительно Li/Li+). Дополнительная термообработка катода при 250 °С увеличивает удельную практическую емкость в диапазоне от 3,4 до 0,9 В на 30%. Показано, что значение напряжения разомкнутой цепи не зависит от температуры обработки катодного материала и составляет 3,4 В. В то же время установлено повышение величины разрядного напряжения и, следовательно, мощности электрохимической системы в результате выдержки катода при 250 °С. Предложены и обоснованы токообразующие реакции, протекающие в электрохимическом элементе литий/лигнин. Полученные данные в сочетании с низкой себестоимостью лигнина позволяют говорить о перспективности использования разработанного литиевого химического источника тока системы литий/лигнин Класона в маломощных электротехнических устройствах различного назначения.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Сергей (Sergej) Васильевич (Vasil'evich) Гнеденков (Gnedenkov), Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
заместитель директора по научной работе, заведующий лабораторией нестационарных поверхностных процессов, доктор химических наук, профессор, тел.: (4232) 31-38-01
Денис (Denis) Павлович (Pavlovich) Опра (Opra), Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
научный сотрудник лаборатории нестационарных поверхностных процессов, кандидат химических наук
Людмила (Ljudmila) Алексеевна (Alekseevna) Земнухова (Zemnuhova), Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
заведующий лабораторией химии редких металлов, доктор химических наук, профессор, тел. (4232) 21-52-75
Сергей (Sergej) Леонидович (Leonidovich) Синебрюхов (Sinebrjuhov), Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
ведущий научный сотрудник лаборатории нестационарных поверхностных процессов, доктор химических наук, доцент, тел. (4232) 31-25-88
Александр (Aleksandr) Николаевич (Nikolaevich) Минаев (Minaev), Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
главный научный сотрудник лаборатории нестационарных поверхностных процессов, доктор технических наук, профессор
Илья (Il'ja) Анатольевич (Anatol'evich) Кедринский (Kedrinskij), Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049
доктор химических наук, профессор кафедры аналитической химии
Валентин (Valentin) Иванович (Ivanovich) Сергиенко (Sergienko), Институт химии Дальневосточного отделения РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022
директор Института химии ДВО РАН, заведующий отделом строения вещества, академик РАН, доктор химических наук, тел. (4232) 31-25-90

Литература

1. Chen H., Armand M., Demailly G., Dolhem F., Poizot P., Tarascon J.-M. From biomass to a renewable LixC6O6 organic electrode for sustainable Li-ion batteries // ChemSusChem. 2008. М. 1. Pp. 348–355.
2. Zeng R.-H., Li X.-P., Qiu Y.-C., Li W.-S., Yi J., Lu D.-S., Tan C.-L., Xu M.-Q. Synthesis and properties of a lithium-organic coordination compound as lithium-inserted material for lithium ion batteries // Electrochemistry Communications. 2010. Vol. 12. Pp. 1253–1256.
3. Chen H., Armand M., Courty M., Jiang M., Grey C.P., Dolhem F., Tarascon J.-M., Poizot P. Lithium salt of tetrahydroxybenzoquinone: toward the development of a sustainable Li-ion battery // Journal of the American Chemical Society. 2009. Vol. 131. Pp. 8984–8988.
4. Каневский Л.С. Проблема рекуперации и утилизации литиевых источников тока // Электрохимическая энергетика. 2005. Т. 5, №3. С. 209–214.
5. Lisbona D., Snee T. A review of hazards associated with primary lithium and lithium-ion batteries // Process Safety and Environmental Protection. 2011. Vol. 89. Pp. 434–442.
6. Лазарева Е.Н. Кинетические закономерности и механизм формирования интеркалятов лития в углеграфитовых материалах по методу катодного внедрения: дисс. … канд. хим. наук. Саратов, 2004. 194 с.
7. Karlsson C., Jämstorp E., Strømme M., Sjödin M. Computational electrochemistry study of 16 isoindole-4,7-diones as candidates for organic cathode materials // Journal of Chemical Physics C. 2012. Vol. 116. Pp. 3793–3801.
8. Kim J.-K., Thébault F., Heo M.-Y., Kim D.-S., Hansson Ö., Ahn J.-H., Johansson P., Öhrström L., Matic A., Jacobsson P. 2,3,6,7,10,11-Hexamethoxytriphenylene (HMTP): A new organic cathode material for lithium batteries // Electrochemistry Communications. 2012. Vol. 21. Pp. 50–53.
9. Lee S.H., Kim J.-K., Cheruvally G., Choi J.-W., Ahn J.-H., Chauhan G.S., Song C.E. Electrochemical properties of new organic radical materials for lithium secondary batteries // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 184. Pp. 503–507.
10. Milczarek G., Inganäs O. Renewable cathode materials from biopolymer/conjugated polymer interpenetrating networks // Science. 2012. Vol. 335. Pp. 1468–1471.
11. Опра Д.П., Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л., Цветников А.К., Сергиенко В.И. Высокоэнергоемкие литиевые источники тока на основе гидролизного лигнина // Вестник ДВО РАН. 2012. №2. С. 111–116.
12. Gnedenkov S.V., Opra D.P., Sinebryukhov S.L., Tsvetnikov A.K., Ustinov A.Y., Sergienko V.I. Hydrolysis lignin-Based Organic Electrode material for primary lithium batteries // Journal of Solid State Electrochemistry. 2013. Vol. 17, №10. Pp. 2611–2621.
13. Гнеденков С.В., Опра Д.П., Синебрюхов С.Л., Цветников А.К., Устинов А.Ю., Сергиенко В.И. Литиевые хи-мические источники тока на основе гидролизного лигнина // Электрохимическая энергетика. 2013. Т. 13, №1. С. 23–33.
14. Гнеденков С.В., Опра Д.П., Синебрюхов С.Л., Цветников А.К., Устинов А.Ю., Сергиенко В.И. Характеристики литиевых источников тока на основе гидролизного лигнина // Вестник ДВО РАН. 2013. №5. С. 12–22.
15. Gnedenkov S.V., Opra D.P., Sinebryukhov S.L., Tsvetnikov A.K., Ustinov A.Y., Sergienko V.I. Hydrolysis Lignin: electrochemical properties of the organic cathode material for primary lithium battery // Journal of Industrial and Engi-neering Chemistry. 2014. Vol. 20. Pp. 903–910.
16. Пат. 2482571 (РФ). Способ получения катодного материала для химических источников тока / А.К. Цветников, Д.П. Опра, Л.А. Матвиенко, С.Л. Синебрюхов, С.В. Гнеденков, В.И. Сергиенко. 2013, №14. С. 8.
17. Вураско А.В., Минакова А.Р., Дрикер Б.Н. Кинетика окислительно-органосольвентной делигнификации недре-весного растительного сырья // Химия растительного сырья. 2010. №1. С. 35–40.
18. Патрушева О.В., Ковехова А.В., Барышева В.С., Земнухова Л.А. Лигнины Классона плодовых оболочек риса, гречихи и подсолнечника // Химия и технология растительных веществ: тез. докл VIII Всерос. конф. Калинин-град; Сыктывкар, 2013. С. 176.
19. Никитин В.М., Оболенская А.В., Щёголев В.П. Химия древесины и целлюлозы. М., 1978. 368 с.
20. Gnedenkov S.V., Tsvetnikov A.K., Opra D.P., Sinebryukhov S.L., Sergienko V.I. Fluorocarbon materials produced by the thermo destruction of polytetrafluoroethylene and possibility of theirs application in Li/(CFx)n batteries // Physics Procedia. 2012. Vol. 23. Pp. 86–89.
21. Митькин В.Н. Новейшие электродные материалы для литиевой химической энергетики. Новосибирск, 2001. 162 c.
22. Лиу К.М., Чен Ж., Ван Ф.К., Йи Б.Л. Улучшение электрохимических свойств поли(4-метакрилоилокси-2,2,6,6-тетраметил-пиперидин-N-оксилового) катода с помощью саж с большой удельной площадью поверхности // Электрохимия. 2012. Т. 48, №11. С. 1155–1160.
23. Lam P., Yazami R. Physical characteristics and rate performance of (CFx)n (0.33 24. Вовчук В.Е., Митькин В.Н., Галицкий А.А., Кузовников А.М. Разработка усовершенствованных методов неразрушающей диагностики промышленных и опытных литиевых источников тока // Электрохимическая энергетика. 2007. Т. 7, №2. С. 103–114.
25. Schweikert N., Hahn H., Indris S. Cycling behaviour of Li/Li4Ti5O12 cells studied by electrochemical impedance spectroscopy // Physical Chemistry Chemical Physics. 2011. Vol. 13. Pp. 6234–6240.
26. Кедринский И.А., Дмитренко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М., 1992. 240 c.
27. Кедринский И.А., Дмитренко В.Е., Поваров Ю.М., Грудянов И.И. Химические источники тока с литиевым электродом. Красноярск, 1983. 247 c.
28. Dey A.N. Lithium anode film and organic and inorganic electrolyte batteries // Thin Solid Films. 1977. Vol. 43. Pp. 131–171.
29. Aurbach D., Zaban A., Ein-Eli Y., Weissman I., Chusid O., Markovsky B., Levi M., Levi E., Schechter A., Granot E. Recent studies on the correlation between surface chemistry, morphology, three-dimensional structures and performance of Li and Li–C intercalation anodes in several important electrolyte systems // Journal of Power Sources. 1997. Vol. 68. Pp. 91–98.
30. Zhao L., Wang W., Wang A., Yuan K., Chen S., Yang Y. A novel polyquinone cathode material for rechargeable lithium batteries // J. Power Sources. 2013. Vol. 233. Pp. 23–27.
31. Львов А.Л. Литиевые химические источники тока // Соросовский образовательный журнал. 2001. №7. C. 45–51.
32. Andersson A. Surface phenomena in Li-ion batteries : dis. … Ph. D. in inorg. chem. Uppsala, 2001. 54 p.
33. Walker W., Grugeon S., Mentre O., Laruelle S., Tarascon J.-M., Wudl F. Ethoxycarbonyl-based organic electrode for Li-batteries // Journal of the American Chemical Society. 2010. Vol. 132. Pp. 6517–6523.
34. Novák P., Podhájecký P. A high temperature lithium-copper oxide cell with a solid polymer electrolyte // Journal of Power Sources. 1991. Vol. 35. Pp. 235–247.
35. Gao X.P., Bao J.L., Pan G.L., Zhu H.Y., Huang P.X., Wu F., Song D.Y. Preparation and electrochemical performance of polycrystalline and single crystalline CuO nanorods as anode materials for Li ion battery // Journal of Physical Chemistry B. 2004. Vol. 108. Pp. 5547–5551.
36. Кебадзе Ж.М., Какурия Л.Ш., Пруидзе В.П. Использование углеродного волокнистого материала для повышения электротехнических характеристик элемента Лекланше // Электрохимическая энергетика. 2005. Т. 5, №4. С. 241–245.
37. Minakshi M., Ionescu M. Anodic behavior of zinc in Zn-MnO2 battery using ERDA technique // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. Pp. 7618–7622.
38. Грибков И.В. Химический состав и строение технического гидролизного лигнина: дисс. … канд. хим. наук. СПб., 2008. 142 с.
39. Opra D.P., Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Tsvetnikov A.K., Sergienko V.I. Fabrication of battery cathode mate-rial based on hydrolytic lignin // Solid State Phenomena. 2014. Vol. 213. Pp. 154–159.
Опубликован
2015-02-09
Как цитировать
[1]
Гнеденков (Gnedenkov)С. (Sergej), Опра (Opra)Д. (Denis), Земнухова (Zemnuhova)Л. (Ljudmila), Синебрюхов (Sinebrjuhov)С. (Sergej), Минаев (Minaev)А. (Aleksandr), Кедринский (Kedrinskij)И. (Il’ja) и Сергиенко (Sergienko)В. (Valentin) 2015. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЛИГНИНА КЛАСОНА В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА. Химия растительного сырья. 2 (фев. 2015), 239-248. DOI:https://doi.org/10.14258/jcprm.201502419.
Выпуск
Раздел
Применение