Разработка новых высокоемких отрицательных электродов (анодов) на основе фосфидов германия для натрий-ионных аккумуляторов

Проект направлен на синтез и исследование новых высокоёмких анодных материалов на основе фосфидов германия с целью разработки натрий-ионного аккумулятора, характеризующегося повышенными значениями удельной энергии и стабильности при циклировании. Актуальность проекта заключается в необходимости создания более энергоемких, безопасных и надежных химических источников тока для повышения качества жизни человека и решения проблемы эффективного запасания энергии, вырабатываемой альтернативными источниками. Теоретические удельные ёмкости материалов на основе фосфора и германия почти на порядок превосходят теоретическую удельную ёмкость твёрдого углерода (общепризнанный сейчас анодный материал натрий-ионного аккумулятора), что создает предпосылки для разработки новых высокоемких анодных материалов. При внедрении натрия в фосфор и германий образуются материалы, сильно обогащенные щелочным металлом. Однако внутренние напряжения, возникающие в таких материалах, приводят к разрушению электродов при циклировании. Кроме того, как правило, высокоемкие анодные материалы характеризуются низкой эффективностью циклирования на первом цикле, что связано с особенностями формирования пассивной пленки на поверхности таких анодных материалов. Синтез фосфидов германия различного состава и морфологии, исследование их электрохимических характеристик и деградации при обратимом внедрении натрия является новой задачей в области перезаряжаемых химических источников тока. Синтез и физико-химические исследования материалов проводился в комплексе со специально разработанной программой электрохимического тестирования, направленной на количественную оценку необратимых потерь емкости на первом цикле и деградации при циклировании. При разработке новых высокоемких материалов на основе фосфидов германия исследовано влияние условий синтеза на морфологию, состав и электрохимические свойства анодного материала, а также взаимосвязь между морфологией и микроструктурой анодного материала и деградацией при циклировании. На финальной стадии проекта разработаны аккумуляторы нового поколения - натрий-ионные аккумуляторы, характеризующиеся повышенной энергоемкостью по сравнению с натрий-ионными аккумуляторами, содержащими углеродный анод. Натрий-ионные аккумуляторы выгодно отличаются от современных коммерческих литий-ионных аккумуляторов большей доступностью исходных материалов, а их энергоемкость будет сопоставима с энергоемкостью современных коммерческих литий-ионных аккумуляторов. В качестве активного материала положительного электрода (катода) использован ванадофосфат натрия. Установлено, что разработанные натрий-аккумуляторы работоспособны в условиях пониженных температур.