Разработка перспективных систем генерации и хранения энергии для применения в космосе (промежуточный) Этап 1(2024г.)

Цель проекта - формирование фундаментальных основ создания инновационных материалов, устройств и технологий преобразования солнечной энергии и ее хранения в экстремальных условиях космоса. В ходе выполнения НИР в 2024 г. получены следующие научные результаты: 1) Синтезированы и изучены десять органических редокс-активных материалов на основе перспективных блоков 2,3,5,6-тетраамино-1,4-бензохинона и 2,3,7,8-тетрааминофеназин-1,4,6,9-тетраона. 2) На основе полученных электродных материалов созданы новые литий- и калий-органические аккумуляторы. Выявлены материалы-лидеры, обладающие высокими разрядными емкостями (до ~490 мАч г-1) и демонстрирующие стабильное поведение в процессе заряд-разрядного циклирования. 3) Показана возможность масштабирования аккумуляторов на основе новых органических электродных материалов без значительного ухудшения характеристик. 4) На базе ФИЦ ПХФ и МХ РАН созданы установки, позволяющие проводить заряд-разрядное циклирование аккумуляторов при заданной температуре в диапазоне от -80 до +200 оС. 5) Впервые проведено масштабное исследование эксплуатационных характеристик аккумуляторов с органическими катодами, различными анодами и электролитами в условиях повышенных (+60 оС) и пониженных температур (-60 оС). Выявлены аноды и электролиты, обеспечивающие оптимальные характеристики в ходе ресурсных испытаний при экстремальных температурах. 6) Показано, что катоды на основе двумерных сетчатых полимеров, полученных из 2,3,5,6-тетраамино-1,4-бензохинона, обеспечивают высокие емкости разряда до 180 мАч г-1 при +60 оС. 7) Установлено, что координационный полимер на основе никеля и 2,3,7,8-тетрааминофеназин-1,4,6,9-тетраона демонстрирует высокие удельные емкости до 161 мАч г-1при температуре -60 оС в калий ионных-аккумуляторах, что является важным достижение, поскольку в коммерческих литий-ионных аккумуляторах удельная емкость катода LiFePO4 падает до ~70 мАч г-1 уже при -20 oC. 8) Разработаны и изучены новые составы электролитов на основе соли LiTFSI для обеспечения работы аккумуляторов в условиях низких температур. На основе лучших составов электролитов созданы литий-органические аккумуляторы, в которых при -55 °С удельная емкость полиимидного катода составила 140 мАч г 1. 9) Получены новые электролиты со сниженной воспламеняемостью на основе органических фосфатов. Выявлены составы-лидеры, обеспечивающие как пожаробезопасность, так и высокие зарядные ёмкости аккумуляторов. Показано, что увеличение содержания органического фосфата и введение фторсодержащих заместителей в структуру фосфата улучшает их антипиреновые свойства. 10) Выявлены органические катодные материалы и системы электролитов, обеспечивающие высокую стабильность работы аккумуляторов при термоциклирования в широком диапазоне температур. 11) Проведено первое в мире систематическое исследование радиационной стойкости металл-ионных аккумуляторов и показаны значительные перспективы использования органических катодных материалов в сравнении с неорганическими аналогами. 12) Установлено, что использование органических катодных материалов обеспечивает радиационную стойкость аккумуляторов по отношению к набору ускоренных электронов с флюенсом 1015 е/см2. 13) Проведен анализ основных мировых направлений в разработке новых фотоактивных материалов для органических солнечных батарей, предложены к подходы к синтезу и получены три новых нефуллереновых акцептора НФА на основе неконденсированных молекул донорно-акцепторного типа с оптимальными свойствами для использования в фотоактивном слое ОСБ. 14) С использованием полученных НФА изготовлены и исследованы бинарные и тройные ОСБ на стеклянных и гибких подложках с приемлемыми КПД преобразования света. 15) Проведено первое в мире комплексное исследование стабильности органических солнечных элементов в экстремальных условиях: при термоциклировании в диапазоне температур от -85 до +80 оС, а также при воздействии разных типов ионизирующего излучения (гамма-лучей, ускоренных электронов и протонов, а также нейтронов). 16) Проведена обширная работа, направленная на исследование характеристик коммерчески-доступных проводящих электродов на основе оксида индия-олова (ITO), нанесенного на различные варианты пластика. Выявлены электроды для гибких солнечных батарей, обеспечивающие высокие КПД преобразования света (более 20%) и рекордную стабильность к дозам гамма-лучей до 1000 кГр. 17) Разработаны гибкие перовскитные солнечные элементы с КПД около 20% с использованием новых дырочно-транспортных материалов. 18) Проведено систематическое исследование стабильности перовскитных солнечных элементов в экстремальных условиях: при термоциклировании в диапазоне температур от -85 до +80 оС, а также при воздействии разных типов ионизирующего излучения (гамма-лучей, ускоренных электронов и протонов, а также нейтронов). 19) Показано, что для устройств на основе FAPbI3 может достигаться рекордная радиационная стойкость: они сохраняют около 85% от первоначального значения КПД после получения огромной дозы гамма-лучей – 1000 кГр. 20) Обнаружено, что присутствие катионов метиламмония повышает стойкость перовскитных солнечных элементов к ускоренным электронам. Устройства на основе трехкатионной системы (Cs-MA-FA) сохраняют около 70-80% своей первоначальной эффективности после получение флюенса 1016 е/см2, который накапливается на низкой околоземной орбите за срок >300 лет. 21) Выявлено, что перовскитные солнечные элементы демонстрируют чрезвычайно высокую стойкость к облучению ускоренными протонами, сохраняя до 70-80% от исходного КПД после получения флюенса 1х1015 p/см2, который набирается на низкой околоземной орбите примерно за 3000 лет. 22) Показана высокая стабильность перовскитных солнечных элементов под действием нейтронов с энергией около 4.5 МэВ и флюенсом 109 n/см2, который соответствует примерно 30 годам эксплуатации на низкой орбите. 23) Обнаруженная рекордная радиационная стойкость перовскитных солнечных элементов на порядки превосходит характеристики используемых сейчас в космосе солнечных батарей на основе кремния и арсенида галлия. Для решения текущих задач использовались современные физико-химические методы исследования (ИК-, УФ-, ЯМР спектроскопия, термогравиметрический анализ, гель-проникающая хроматография, лазерная дифракция, циклическая вольтамперометрия, гальваностатическое циклирование, конфокальная, атомно-силовая и электронная микроскопия, метод переходного фотонапряжения, метод определения спектров внешней квантовой эффективности и др.). Полученные результаты соответствуют передовому мировому уровню исследований в соответствующих научных областях. Отдельные результаты являются прорывными и имеют перспективы практического внедрения