Фундаментальные аспекты создания электродов литий-ионного аккумулятора на основе литиевых интеркалятов и сплавов с высокими показателями удельной мощности и энергоемкости

Фундаментальная цель проекта - разработка новых интеркалируемых литием электродных структур, способных к реализации высоких удельных мощностных и энергетических характеристик и обладающих длительным рабочим ресурсом. Основу исследуемых электродных структур будут составлять ряд твердотельных интеркалируемых литием соединений с широким варьированием химического и фазового состава, энергетического состояния лития в твердом теле, морфологии, гранулометрического состава, а также геометрии сформированных композитных слоев. Электрод современного литий-ионного аккумулятора представляет собой сложный композит. Оптимальный выбор состава всех компонентов электроактивного композита, а также его архитектуры позволит достичь высокого уровня характеристик электрода. Ставится задача всестороннего исследования процессов, сопровождающих обратимую интеркаляцию лития в активный материал электрода. Предлагаемый подход с одновременным применением "in situ" варианта методов дифракции рентгеновских лучей и тепловых нейтронов в комплексе с электрохимическими методами исследования транспортных свойств твердых интеркалятов позволит проследить динамику интеркаляционного процесса и сопоставить результаты прямых физических методов с данными наблюдения за изменением электрохимических свойств. Впервые с помощью физических методов будет выполнена прямая проверка расчетов транспортных параметров лития, измеренных в широком спектре интеркалируемых литием материалов (углеграфитовые материалы различной структуры и содержания графитовой фазы, Sn-C и Si-C композиты, смешанные оксиды и фосфаты лития и ряда переходных металлов - Fe, V, Ti, Mn, Co, Ni, в том числе легированных по катионной и анионной подрешеткам) с использованием комплекса электрохимических методов. В том числе, будет выполнена верификация разработанных ранее нашей научной группой математических моделей электростимулированной диффузии в литиевых интеркалятах, описывающих ионный транспорт, осложненный фазовым переходом в глубине частицы материала и торможением на границе электрод|электролит, в различных геометрических конфигурациях диффузионного слоя. Будут детально исследованы сложные послойные образования литий-аккумулирующий материал|твердый литий-проводящий электролит. Важнейшим компонентом электроактивного композита является электронопроводящая составляющая, в большинстве случаев состоящая из углеграфитовых материалов. Как правило, это аморфные материалы, и исследование их структуры, коррелирующей с проводящими свойствами, с применением методов анализа кристаллических структур невозможно. Нейтронографический метод является незаменимым для получения прямой структурной информации о системах с хаотическим и частично упорядоченным расположением неоднородностей плотности. Исследования с использованием нейтронографии будут проводиться в Международной межправительственной научно-исследовательской организации Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна, Московская обл.). В проекте будут принимать непосредственное участие два специалиста этой организации (приглашенные кандидаты наук: Бобриков И.А. и Иваньшина О.Ю.), которые будут организовывать и проводить совместные исследования. По результатам проекта в течение всего срока его выполнения будет опубликовано не менее 12 статей в международных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science или Scopus, а также не менее 4 публикаций, учитываемых в РИНЦ, и 1 монография.