К усовершенствованным слоистым электродным материалам высокой емкости для литий-ионных аккумуляторов через понимание окислительно-восстановительных процессов на атомном уровне

Проект направлен на решение актуальной задачи создания высокоёмких вторичных электрохимических источников тока следующего поколения с положительными электродами (катодами) на основе Li-обогащённых оксидов переходных металлов, типа Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2 (Li-обогащённые NMC). Обладая существенно более высокими показателями удельной энергоёмкости по сравнению с коммерчески используемыми в настоящее время катодными материалами, Li-обогащённые NMC имеют ряд недостатков (падение рабочего напряжения, гистерезис потенциала, медленную кинетику обратимой интеркаляции лития), что создает препятствия для их практического применения. Для решения этой задачи в данном проекте предлагается комбинированный подход, включающий современные методы препаративной химии, такие как метод соосаждения с компьютерным контролем параметров синтеза и микроволновой гидротермальный синтез, прогрессивные методы характеризации, включающие темнопольную и светлопольную сканирующую просвечивающую микроскопию с коррекцией аберраций, электронную томографию, томографию обратного пространства, в том числе в режиме in situ, резонансное неупругое рентгеновское рассеяние, структурные исследования при помощи синхротронного излучения и нейтронографии, а также компьютерное моделирование в рамках теории функционала плотности. Cинтез и исследование материалов будут интегрированы с детально проработанной программой электрохимических тестов, направленных на количественную оценку эффектов деградации. Прежде всего, будет детально исследован вклад морфологии и микроструктуры в деградацию электрохимических свойств Li-обогащённых катодных материалов, для того чтобы отделить этот вклад от влияния факторов, связанных с эволюцией кристаллической структуры. После этого путём создания модельных систем будут изучены эффекты, связанные с падением потенциала и ростом гистерезиса при гальваностатическом циклировании, а также их связь с миграцией катионов переходных металлов и окислением кислородной анионной подрешётки с образованием “пероксогрупп”. Последнему будет уделено особое внимание, так как окислительно-восстановительные процессы на анионах отвечают за дополнительную ёмкость, обеспечиваемую Li-обогащёнными катодными материалами, однако механизм их окисления остается не полностью изученным. Благодаря более полному пониманию механизмов окисления как анионов, так и катионов переходных металлов, а также сопутствующих процессов перестройки структуры, будут разработаны новые Li-обогащённые химические соединения, в меньшей степени подверженные деградации электрохимических характеристик при циклировании. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, помимо практической значимости, будут обладать фундаментальной ценностью и новизной, проливая свет на связанные друг с другом механизмы миграции катионов переходных металлов и частичного окисления анионов и пределы обратимости структурных превращений при электрохимической (де)интеркаляции лития. С практической точки зрения, проект должен открыть новые возможности для конструирования передовых высокоемких электродных материалов и аккумуляторов с повышенной энергоёмкостью на их основе. Проект будет выполняться в рамках научного сотрудничества между Сколковским институтом науки и технологий (Сколтех, Центр энергетических технологий (CEST)) и Университетом Антверпена (Центр электронной микроскопии (EMAT)). Два коллектива имеют многолетний опыт сотрудничества и будут выполнять взаимодополняющие функции в проекте. Сколтех имеет обширные компетенции в области синтеза электродных материалов, электрохимии, дизайна аккумуляторных ячеек, кристаллографии и вычислительных методов, тогда как Университет Антверпена обладает уникальным опытом и оборудованием в области просвечивающей электронной микроскопии материалов, в первую очередь для извлечения количественной информации об атомной структуре вещества, электронной структуре и типах химического взаимодействия. Взаимодействие двух научных коллективов даст существенный синергетический эффект и приведет к новому уровню понимания процессов обратимой интеркаляции лития в высокоемких слоистых сложных оксидах переходных металлов.