Комбинированные методы прогнозирования ион-проводящих материалов нового поколения: разработка и экспериментальное тестирование

Целью проекта является разработка и модификация комбинированных кристаллохимических и квантовохимических методов прогнозирования материалов для новых типов металл-ионных аккумуляторов, имеющих более высокие эксплуатационные характеристики, чем существующие литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), с последующим синтезом таких материалов и экспериментальной проверкой их ион-проводящих свойств. Комбинированные методы прогнозирования новых ионных проводников будут применены как для наиболее распространённых одновалентных, так и для новых поливалентных катионных кислород-содержащих проводников. Кроме того, методы будут модифицированы для прогнозирования новых халькоген-содержащих твердых электролитов.Растущие потребности в мощных мобильных аккумуляторах для будущих технологий, а также разработка электрохимических источников тока для электромобилей и электрических самолётов требуют создания новых типов металл-ионных аккумуляторов. В настоящее время наиболее распространённым типом металл-ионных аккумуляторов являются ЛИА, однако они имеют ряд недостатков, таких как высокая стоимость и пожароопасность. Кроме того, истощение литиевых ископаемых ресурсов приводит к существенным проблемам в крупномасштабном производстве аккумуляторов. Тем не менее, ЛИА пока не имеют равнозначных альтернатив для применения в мобильной электронике. Поэтому актуальной задачей современного материаловедения является поиск новых соединений, обладающих высокой ионной проводимостью, которые могут использоваться в производстве новых типов металл-ионных аккумуляторов – как улучшенных ЛИА с новыми материалами электродов/электролита, так и аккумуляторов с другими рабочими ионами (натрий, калий, магний и пр.). В данном проекте мы используем разработанные нами комбинированные методы прогнозирования для поиска новых материалов с улучшенными характеристиками по сравнению с известными ЛИА. Впервые будут теоретически изучена ионная проводимость в не менее чем 15000 кислород- и халькоген-содержащих (S, Se, Te) веществ для широкого спектра рабочих ионов (Li+, Na+, K+, Ag+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Zn2+, Al3+). Для анализа будут использованы кристаллохимический анализ, метод валентных усилий и методы теории функционала плотности. Все полученные результаты будут добавлены в базу знаний http://batterymaterials.info, созданную и развиваемую авторами проекта. Кроме того, в базу данных будут добавлены описанные ранее в литературе кристаллические Li+-ионные проводники. На основе расширенной базы данных будет проведен поиск закономерностей влияния состава и структурных особенностей на ионную проводимость. Впервые будет осуществлен поиск закономерностей миграции ионов в структурах, содержащих несколько типов рабочих ионов (смешанные ионные проводники). Для экспериментальной проверки работоспособности разработанных методов и электронных ресурсов будет проведен синтез не менее трех спрогнозированных материалов, а также экспериментальная проверка их электрохимических характеристик. По результатам исследований будет опубликовано не менее трех статей в журналах первого и второго квартилей и сделаны доклады на одной российской и одной международной конференции.