Комплексный подход к созданию калий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) привели к революции в индустрии портативной электроники, способствуя широкому распространению переносных персональных устройств. В настоящее время ЛИА активно укрепляют позиции в сфере мало- и среднегабаритных применений, таких как электротранспорт и системы хранения энергии. Однако, низкая распространенность лития в земной коре, географическая изолированность и прогнозы по скорому исчерпанию его мировых запасов требуют развития альтернативных, экономически целесообразных и безопасных технологий, таких как калий-ионные аккумуляторы (КИА). Эти технология ещё далека от «прорыва» вследствие отсутствия как эффективных катодных и анодных материалов, способных обеспечить высокую энергоемкость аккумулятора, так и доступных и химически стабильных электролитов, поддерживающих длительное циклирование. Более того, в настоящее время еще не сформировано полноценное понимание о взаимодействии и сочетании активных компонентов аккумулятора друг с другом, особенно для пост-литиевых систем, что объясняет необходимость не только разработки и оптимизации каждого отдельного элемента, но и формирования их надежных и работоспособных комбинаций в конечном устройстве. Целью проекта является разработка новых материалов катода, анода и электролита в КИА и исследование фундаментальных аспектов их взаимодействия. Выбор перспективных электрод/электролитных систем обоснован последними достижениями в данных областях. Например, оксо(фторидо-)фосфаты переходных металлов в настоящее время позиционируются как перспективные, ультрабыстрые катодные материалы для металл-ионных аккумуляторов. Они демонстрируют способность к стабильному циклированию при высоких скоростях заряда/разряда, отличаются высокой механической стабильностью вследствие небольшого изменения объёма элементарной ячейки в процессе циклирования, и обеспечивают высокие величины удельной емкости и рабочего потенциала. Использование анодных материалов на основе «жёсткого» углерода, в частности полученного из доступной и широко распространённой целлюлозы, не только позволит увеличить напряжение и как следствие энергоемкость КИА, но и будет способствовать требованиям устойчивого развития. Однако стоит отметить, что ни один из существующих электролитов не способен поддерживать работу таких электродных материалов в течение длительного времени ввиду протекающих побочных процессов и последующей деградации. Таким образом, возникает необходимость поиска ответов на фундаментальный вопрос, как стабилизировать пары катод/электролит и анод/электролит, а также обеспечить их взаимную совместимость. Существенный опыт, усвоенный при разработке ЛИА, позволил предложить множество подходов для решения обозначенной проблемы, таких как модуляция электродного потенциала катода при частичном переходе к металлам с менее высоковольтными редокс-переходами, или поиск новых добавок для электролитов, формирующих стабильные катодные или анодные межфазные границы (SEI – solid electrolyte interface). Однако, в случае КИА, данные такого рода все ещё отсутствуют, вследствие относительно недавнего возникновения этой научной области. Отличия физических характеристик катионов Li+ и K+ в растворе и твёрдом теле приводят к тому, что знания из области ЛИА в не могут быть напрямую перенесены и распространены на КИА. Поэтому целесообразно проводить именно совместную оптимизация трёх ключевых компонентов аккумулятора и их сочетаний, что позволит ответить на фундаментальные научные вопросы, а также решить технологические проблемы, возникающие при создании полноценных и эффективных КИА. Проект рассчитан на три года и будет разрабатываться тремя коллективами: Сколтех (Россия), IFW Dresden и KIT (Германия). Тесное сотрудничество направлено в том числе на совместное проведение operando исследований на синхротронных источниках для магистров и аспирантов, участвующих в проекте от трех институтов, а также на постоянный обмен данными и материалами. Коллективы обладают всем необходимым оборудованием и инфраструктурой для выполнения этого проекта.