Гибридные электродные материалы для литиевой электрохимической энергетики

Основная научная идея проекта состоит в создании единого подхода к разработке многокомпонентных композитных электродных структур, включающих полифункциональные компоненты, выполняющие роли структурообразования композита, создания эффективной электроно- и ионотранспортной сети, а также накопителей заряда в поверхностных слоях и объеме интеркаляционного материала. Также предполагается создание единого подхода к всестороннему исследованию характеристик состава, структурно-морфологической организации и электрохимических свойств разрабатываемых электродных структур. Далее в ходе выполнения проекта планируется экспериментальная реализация разработанных подходов на примере ряда конкретных материалов с широким диапазоном скоростных характеристик транспорта и аккумулирования заряда. Будут применяться следующие типы материалов. 1) Углеродные материалы с аморфной и различной степени кристаллической структурой, в том числе, фазово-неоднородные с дисперсно распределенными микро- и наночастицами кристаллической фазы в аморфной среде; аморфные углеродные материалы с микро- и нанополостями; двумерные углеродные структуры и др. Такие материалы будут выполнять в составе композита ряд функций: структурообразующую (каркасную), функцию электроно- и ионопроводящей среды, зарядо-аккумулирующую как на поверхности (в двойном электрическом слое), так и в глубине материала (микрополостях, межатомных пространствах). 2) MAX-фазы (соединения состава Mn+1AXn (тройные карбиды и нитриды (X) переходного металла (M) и элемента главной подгруппы III-V групп (A)) будут использоваться также в качестве полифункциональных компонентов композитов для функций структурообразования, создания электроно- и ионопроводящей среды, а также накопления заряда на поверхности. 3) Оксиды переходных металлов, в том числе SnO2 в наноструктурированном виде, иммобилизированные в среде углеродных материалов и MAX-фаз, а также полимеров. 4) Интеркаляционные материалы с высокими ионотранспортными и ионоаккумулирующими характеристиками, в том числе литированные фосфаты и фторидофосфаты V, Fe, Mn, Ti, литированные оксиды переходных металлов Co, Ni, Mn, Al со слоистой структурой, литированные сульфаты и силикаты переходных металлов Fe, Mn, Co, Ni. 5) Электролиты на основе полярных органических растворителей и комплексных солей лития, а также ионных жидкостей. В случае средневольтовых электродных материалов будут использоваться также электролиты на водной основе. Таким образом, многоуровневая организация разрабатываемых и исследуемых электрохимических систем позволит варьировать способы накопления заряда (на поверхности и в объеме твердого тела) и его транспорта (электронов и ионов в различных комбинациях твердых и жидких сред), а следовательно - характеристики мощности и энергоемкости. Для всестороннего исследования электрохимических характеристик электродных структур будет использоваться комплекс современных электрохимических методов и специально разработанных теоретических основ анализа электрохимических откликов многоуровневых электродных структур. Все описанное представляет собой новый комплексный подход, который позволит существенно расширить диапазон характеристик современных электродных материалов, создав гибридные электродные структуры, на основе которых могут быть сконструированы принципиально новые электрохимические устройства, объединяющие в себе возможности аккумуляторных и конденсаторных систем.