Поиск и разработка электродных материалов для металл-ионных аккумуляторов

Целью исследования является разработка новых классов электродных материалов на основе смешанно-анионных соединений переходных и щелочных металлов для металл-ионных (литий-, натрий-, калий-) аккумуляторов и эффективных способов их синтеза; изучение взаимосвязи состава соединений со структурой, проводящими и электрохимическими свойствами при циклировании. Преодоление лимитов по удельным энергетическим показателям, которых достигло большинство используемых в настоящее время катодных материалов, будет решаться путем варьирования анионной подрешетки, способствующего изменению потенциала окислительно-восстановительной пары Me2+/Me3+ за счет индуктивного эффекта и путем реализации многоэлектронного редокс-процесса на переходном металле Me2+/Me4+ с целью повышения удельной плотности энергии. Для достижения поставленной цели планируется решение следующих задач: 1. Разработка методов синтеза, исследование структуры и электрохимических свойств смешанно-анионных соединений переходных и щелочных металлов в качестве электродных материалов для металл-ионных (литий-, натрий-, калий-) аккумуляторов. 2. Разработка рациональных подходов к морфологическому дизайну электродных материалов с улучшенными мощностными характеристиками. 3. Исследование характеристик твердотельных аккумуляторов на основе наноструктурированных материалов, полученных механохимически стимулированным твердофазным методом. 4. Компьютерное моделирование структуры и проводящих свойств электродных материалов. В качестве основных методов синтеза планируется использовать механохимически стимулированный твердофазный и сольвотермальный методы синтеза, а также их комбинации. Исследование полученных материалов будет проводиться комплексом современных физико-химических методов, включая рентгенофазовый анализ (РФА), термический анализ (ДСК/ТГ), инфракрасную (ИК) и Рамановскую (КР) спектроскопию, спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР), Мессбауэровскую спектроскопию (ЯГР), сканирующую (СЭМ) и просвечивающую (ПЭМ) электронной микроскопию, спектроскопию электрохимического импеданса, циклическую хронопотенциометрию, вольтамперометрию, гальваностатическое прерывистое титрование и др. Разработка новых накопителей энергии является одной из важнейших научных задач современного материаловедения. В последние годы остро встает вопрос о замене литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) на другие металл-ионные системы (МИА) в связи с истощением запасов лития на Земле и возрастанием его стоимости. Натрий имеет схожие с литием физико-химические характеристики, он более распространен в природе, а его стоимость значительно ниже. Натрий-ионные аккумуляторы (НИА) могут быть перспективными для стационарных устройств хранения и регенерации электрической энергии, где решающее значение приобретают доступность сырья и его невысокая стоимость, высокий ресурс и пожаробезопасность. В связи с этим ведется интенсивный поиск перспективных натрий-содержащих катодных материалов со свойствами, сопоставимыми с литиевыми материалами. Для увеличения энергоемкости необходимо повышение рабочего напряжения и/или увеличение количества запасаемого электрического заряда (емкости). Результаты данного проекта могут дать толчок и к развитию альтернативных МИА, в том числе калий-ионных и магний-ионных. Тематика полностью соответствует научным приоритетам РФ, а реализация проекта будет способствовать решению ключевых проблем электрохимического хранения энергии, освещенных в Стратегии НТР России, и внесет существенный вклад в развитие критических технологий Российской Федерации.