Новое поколение электродных материалов для натрий-ионных аккумуляторов

Натрий-ионные аккумуляторы позиционируются как альтернативная более экономичная и экологически чистая технология накопления энергии, сохраняющая схожую эффективность с литий-ионными системами и не содержащая компонентов, нуждающихся в ресурсах с ограниченной сырьевой базой. Устойчивое развитие индустрии натрий-ионных аккумуляторов представляется невозможным без решения ряда проблем, связанных с разработкой нового поколения электродных материалов, запасающих большее количество энергии и способных работать при высоких токах заряда/разряда. В качестве таких материалов могут выступать оксоанионные соединения натрия и переходных металлов. Данный проект направлен на разработку новых электродных (катодных и анодных) материалов для натрий-ионных аккумуляторов на основе фосфатов и фторидофосфатов с увеличенными удельными энергетическими и мощностными показателями, включая исследование, объяснение и рационализацию электрохимических процессов, происходящих в объеме и на поверхности материалов, в том числе на границе электрод/электролит, а также выявление взаимосвязей между химическим составом, кристаллической структурой, электронным строением и электрохимическим поведением электродных материалов с целью направленного улучшения физико-технических параметров работы аккумулятора. Научная новизна проекта заключается в том, что в качестве электродных материалов будут исследованы уникальные, практически не изученные ранее, новые составы перспективных фосфатов и фторидофосфатов с каркасными кристаллическими структурами, обеспечивающими быстрый ионный транспорт и высокую устойчивость при многократном циклировании, впервые полученные авторами и частично охарактеризованные в процессе предварительной работы. В частности, отдельные представители катодных и анодных материалов уже продемонстрировали способность работать при высоких токах заряда/разряда до 10С (заряд/разряд за 6 минут) без значительного снижения удельной емкости, что объясняется высокой подвижностью ионов натрия в структуре и весьма быстрой кинетикой переноса заряда, которые в совокупности позволяют предположить потенциальное использование таких материалов для создания не только высокомощных (при нормальных условиях), но и низкотемпературных натрий-ионных аккумуляторов. Значительное внимание при решении задач проекта будет уделено как развитию прикладных аспектов, связанных с синтезом новых электродных материалов и изучением их поведения в процессе эксплуатации, так и формированию фундаментальных представлений о взаимосвязи механизмов электрохимических процессов и особенностей химической и структурной организации электродных материалов и межфазных границ. Подходы к синтезу новых электродных материалов включают широкий спектр гидро(сольво)термальных методов с большим количеством вариаций по добавкам, влияющим на микро- и макроструктуру получаемых материалов и композитов, а также методик ионного обмена. Физико-химическая аттестация синтезированных электродных материалов будет проведена с применением современных методов анализа. Для подтверждения работоспособности новых оксоанионных электродных материалов на заключительной стадии проекта будет собран полноразмерный лабораторный прототип натрий-ионного аккумулятора в мягком корпусе и проведено его тестирование.