Молодежь и наука

Иван Бобриков: "Перед нами открывается большое поле деятельности"

В 2013 году правительство Московской области учредило ежегодную премию "Наше Подмосковье" за уже реализованные проекты в 18 номинациях. Среди них есть номинация "Научный прорыв" - за открытия, изобретения и достижения молодых ученых Подмосковья. Лауреатом второй премии в этой номинации стал научный сотрудник Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ Иван Бобриков с работой "Контроль функционирования электродов литий-ионных аккумуляторов в режиме реального времени с помощью нейтронной дифракции".

Иван - выпускник Тульского государственного университета, дипломную работу делал в ЛНФ под руководством профессора А.М.Балагурова. Сотрудник лаборатории с 2003 года, в 2012-м он защитил кандидатскую диссертацию по исследованиям фазово-расслоенных состояний в сложных магнитных оксидах. Сегодня Иван Бобриков знакомит наших читателей с актуальным направлением исследований, проводимых в ЛНФ.

В нашей лаборатории тематика нейтронных исследований электродов литий-ионных аккумуляторов в режиме реального времени (in situ) возникла в 2012 году, хотя первый нейтронный in situ эксперимент, в котором изучались процессы кристаллизации в цементе (Г.М.Миронова, А.М.Балагуров), был поставлен еще 1986 году. Однако эксперименты в реальном времени сложны в постановке, обработке результатов измерений, поэтому достаточно редко проводились в ЛНФ. Для исследования литий-ионных аккумуляторов мы решили использовать дифрактометр ФДВР, изначально рассчитанный на стационарные эксперименты. После определенных доработок, установки оборудования для электрохимического циклирования, подготовки программного обеспечения мы удачно провели серию in situ экспериментов с различными литий-ионными аккумуляторами. Однако дифрактометр ФДВР востребован внешними и внутренними пользователями для проведения стационарных экспериментов, поэтому ощущается значительная нехватка экспериментального времени. Конечно же, для исследований в реальном времени с различными материалами необходима отдельная исследовательская установка - дифрактометр реального времени. Он в ЛНФ уже есть, но пока еще только готовится к полноценной работе.

Интерес к экспериментам в реальном времени возник с новой силой в 2008-2009-м годах в связи с активной разработкой новых электродных материалов на химфаке МГУ, с которым наша исследовательская группа традиционно тесно сотрудничает. Нейтронные in situ эксперименты позволяют увидеть недоступные другими методами физико-химические процессы, происходящие в электродных материалах непосредственно во время их работы и охарактеризовать их структурные и микроструктурные особенности на новом уровне. Например, наблюдать пошагово множественные фазовые переходы в аноде.

Так сложилась судьба, что первые исследования в режиме реального времени мы выполнили все же с коллегами из Тайваня. Перед ними стояла задача разобраться, почему в аккумуляторе катод с добавкой ванадия (ванадий добавлялся в процессе синтеза электродного материала) работает лучше катода без ванадия. Они привезли с собой образцы как исходных катодных материалов в виде порошков для стационарных экспериментов, так и готовые аккумуляторные батареи для in situ экспериментов. Катодные материалы содержали литий, который очень плохо виден в рентгеновском излучении, а при нейтронном рассеянии (в случае, если это естественная смесь его изотопов) - хорошо. Кроме того, рентгеновское излучение имеет плохие характеристики прохождения через материалы, в отличие от нейтронов, и рентгеновские in situ эксперименты на готовых аккумуляторах были невозможны.

Тайваньские исследователи с коллегами из ЛНФ Д.Сангаа и И.Бобриковым.

В результате мы провели два типа взаимодополняющих экспериментов: с порошкообразными исходными образцами катодов и с собранными аккумуляторами на разных катодах непосредственно в процессе зарядки-разрядки. Честно говоря, мы скептически относились к исследованию готовых аккумуляторов и считали, что in situ эксперименты можно провести только с модельной ячейкой, где расположение электродов подбирается под геометрию эксперимента, а в качестве оболочки используются специальные материалы. Однако результаты опровергли наши опасения. Оказалось, что исследовать даже готовые коммерческие аккумуляторные батареи, которые привезли с собой тайваньцы, - достаточно эффективное занятие.

Благодаря проведенному эксперименту в реальном времени мы смогли наблюдать структурные и микроструктурные изменения электродов непосредственно во время работы аккумулятора. Были отслежены количество и соотношения различных фаз в электродах, последовательность и динамика их превращений. Мы увидели, что большее количество лития переходит из катода в анод в батарее с использованием ванадия, увидели сам процесс: как заряжается анод и расходуется литий из катода.

Наши коллеги из Тайваня предполагали, что эффект улучшения свойств катода при добавке в него ванадия связан с замещением ванадием одного из катионов катода. Анализируя совместно результаты in situ и стационарных измерений, мы пришли к выводу, что эффект большей частью связан с изменением микроструктуры катодного материала при добавке в него ванадия. Добавка ванадия увеличивала уровень дефектности катода, приводя к уменьшению эффективного размера кристаллитов. А это, в свою очередь, увеличивало рабочую поверхность данного электрода и уменьшало путь для миграции ионов лития, что значительно улучшило такой важный параметр для электрода, как ионная проводимость. Хорошая ионная проводимость в нашем случае привела к тому, что в катоде с ванадием в рабочем процессе участвовал значительно больший объем катода, по сравнению с обычным "чистым" катодным материалом.

Результаты экспериментов мы опубликовали в престижном журнале по исследованиям и разработке компактных источников тока - "Journal of Power Sources". Эта работа показала, что можно очень продуктивно проводить исследования готовых аккумуляторных батарей. Это важно, так как процессы, происходящие в подготовленном к реальной эксплуатации изделии, могут отличаться от процессов в модельной ячейке (модельном эксперименте). Стоит отметить, что эксперименты в реальном времени очень хорошо подходят к специфике работы реактора ИБР-2, генерирующего нейтронные импульсы большой мощности за малое время, позволяя при достаточном количестве образца получать информацию за рекордное время - порядка 0,2 миллисекунды. Кроме того, благодаря богатому разнообразию экспериментальных станций можно проводить исследования физических процессов не только в электродах, находящихся в твердом закристаллизованном состоянии, но и в жидком.

После проведенных с тайваньскими коллегами экспериментов наше сотрудничество с МГУ активизировалось. Вообще эксперименты in situ с электродными материалами - очень актуальная тема, многие нейтронные исследовательские центры сегодня активно развивают это направление. Благодаря выполненным работам мы успешно заявили о себе в этой области, получили новые, интересные и важные результаты. Перед нами открывается большое поле деятельности, в котором мы надеемся преуспеть. А теперь назову членов нашей исследовательской группы, которых я имел в виду, используя местоимение "мы", - это Анатолий Балагуров, Валерий Симкин, Дмитрий Балагуров, Наташа Самойлова и я. Недавно к нам присоединилась новая сотрудница, выпускница кафедры электрохимии МГУ Ольга Иваньшина.