Новые функциональные материалы, в том числе наноструктурированные, перспективные к применению в области электрохимических устройств сохранения и преобразования энергии

В последнее время в мире наблюдается значительный рост спроса на электроэнергию, вызванный стремительным экономическим подъемом, увеличением численности населения планеты и повышением уровня жизни людей. При этом основным источником энергии в мире на сегодняшний день является ископаемое топливо: нефть, природный газ, торф и каменный уголь. Истощение запасов природных ресурсов, монополизация отрасли, постоянно возрастающие цены на энергоносители, а также серьезные последствия его использования создали угрозу энергетической и экологической безопасности в мировом масштабе. На этом фоне насущной необходимостью становится освоение альтернативных энергетических ресурсов. В настоящее время наблюдается стремительное развитие индустрии электрохимических источников энергии. При этом достигнутый на сегодняшний день прогресс в данной области с трудом способен удовлетворить экспоненциально растущий спрос на продуты ее производства со стороны глобального рынка (яркий пример – потребность в строительстве Гигафабрики (Невада, США), возникшая у компании Tesla Motor для обеспечения литий-ионными аккумуляторами электротранспорта собственного производства). Одновременно, согласно базовому сценарию энергетического прогноза Института энергетических исследований РАН и Аналитического центра при Правительстве РФ, к 2040 г., в связи с дальнейшим ростом народонаселения планеты (по последнему демографическому прогнозу ООН, к 2040 г. население планеты достигнет 8.9 млрд человек) и ускорением темпов роста мирового валового внутреннего продукта, спрос на энергоносители вырастет приблизительно на 40 % по сравнению с 2010 г. Сегодня огромные усилия научно-исследовательских коллективов по всему миру направлены на совершенствование технологий в области электрохимических источников энергии с целью повысить их удельные характеристики, обеспечить безопасность эксплуатации, снизить себестоимость производства и т.д. При этом, как известно, современное состояние литий-ионной технологии накопления энергии определяет ее доминирующую роль в энергообеспечении огромного количества высокотехнологичных направлений, как например, портативные устройства, медицинское оборудование, автотранспортные средства с гибридным и электрическим приводом, космические аппараты, подводная робототехника, возобновляемые источники энергии. В то же время ряд проблем, связанных с разработкой литий-ионных аккумуляторов, таких как длительный заряд, небезопасность эксплуатации при отрицательных температурах, недостаточный энергозапас на единицу массы/объема и высокая стоимость еще не преодолены. Настоящая тема исследований направлена на разработку и реализацию новейших подходов создания усовершенствованных функциональных материалов, характеризующихся повышенными энергетическими и эксплуатационными параметрами и перспективных к использованию в литий- и натрий-ионных аккумуляторах. Для этого в рамках исследования предполагается решение следующих задач: 1) выработать способы получения новых материалов на основе модифицированных соединений металлов и полуметаллов (Ti, Fe, Cu, Mo, V, Sn, Pb, Sb и др.), а также органических электроактивных соединений (производные активированного лигнина), перспективных для использования в качестве электродов металл-ионных аккумуляторов; 2) осуществить всестороннее исследование состава, структурных и морфологических особенностей полученных соединений; 3) изучить электрохимическое поведение синтезированных материалов с использованием лабораторных ячеек литий- и натрий-ионных аккумуляторов, оценить их пригодность для использования в качестве электродных материалов; 4) сконструировать лабораторные прототипы аккумуляторов на основе наиболее эффективных материалов, протестировать их энергетические и эксплуатационные характеристики.