Исследование и разработка гибридных электродных материалов литий-ионного аккумулятора с высокой энергетической плотностью

Актуальность данного проекта заключается в существующей потребности современного общества в системах хранения и преобразования энергии, обладающих высокой энергетической плотностью и большим сроком службы. Проект направлен на разработку наноструктурированных мезопористых электродных материалов для современных литий-ионных аккумуляторов с повышенными значениями удельной энергии и стабильности при циклировании. Следует заметить, что развитие Li-ионных аккумуляторов на основе традиционно используемых материалов электродов постепенно достигает своего предела. С одной стороны, ограниченная энергетическая емкость графита обуславливает необходимость разработки новых более эффективных материалов анода. С другой стороны, для материалов катода в литий-ионных аккумуляторов наблюдается высокий электронный и относительно низкий ионный транспорт. В настоящее время в мире широко исследуются возможности применении германия в качестве анода ЛИА из-за его теоретически гораздо более высоких характеристик по сравнению с углеродом. Однако внутренние напряжения, возникающие в таких материалах, приводят к разрушению электродов при циклировании. Для решения данной проблемы могут быть использованы наноструктурированные германиевые аноды различных конфигураций. В данном проекте разрабатывается и исследуется новый материал для анодов ЛИА – наноструктурированный германий, полученный путем ионной имплантации различных ионов в германиевую матрицу (как кристаллическую пластину, так и германиевую пленку). В процессе имплантации происходит не только формирование наноструктурированного пористого германия, но и его аморфизация, которая ослабляет эффекты механических напряжений, приводящих к деградации электрода в процессе внедрения/экстракции ионов лития. Научная новизна разработки анодного материала заключается в варьировании параметров имплантации (тип иона, энергия, доза) и использовании термической обработки образцов для формирования нанопористых слоев различной морфологии, для последующего определения оптимальных параметров и условий ионной имплантации, обеспечивающих целенаправленный синтез новых высокоемких анодных материалов. Актуальным является и разработка методов синтеза и дизайна наноструктурированных катодных материалов на основе смешанно-катионных оксидов переходных металлов для современных высокоэнергоемких металл-ионных аккумуляторов. Данный класс материалов отличается высоким рабочим напряжением, большой обратимой емкостью благодаря способности к реализации многоэлектронных окислительно-восстановительных процессов. В качестве катодного материала в данном проекте будут использованы соединения на основе Li3V2(PO4)3, интерес к которым обусловлен стабильностью их кристаллической структуры по отношению к изменению валентности катионов переходных элементов, вызываемой процессами интеркаляции/деинтеркаляции щелочного элемента при заряде/разряде литий-ионного аккумулятора. Научная новизна предлагаемого в проекте решения заключается в синтезе и применении соединения фосфата ванадия-лития c различной концентрацией щелочного элемента или частичным замещением ионов лития на ионы натрия. Как известно, варьируя степень нестехиометрии по литию можно варьировать подвижность щелочного элемента. Таким образом, данный проект посвящен проблемам, связанным с исследованиями и разработкой литий-ионных аккумуляторов с высокой энергетической плотностью и стабильностью при циклировании, синтезом новых электродных материалов на основе литиевых оксидов переходных металлов, нанопористого германия, исследованиями структуры, морфологии и электрохимических свойств этих материалов, установлением фундаментальных закономерностей, определяющих взаимосвязь между рабочими параметрами, структурными и физико-химическими особенностями анодных и катодных материалов литий-ионных аккумуляторов.