Высокопроизводительный теоретический поиск и синтез новых перспективных натрий-проводящих материалов для твёрдотельных металл-ионных аккумуляторов

В настоящее время наиболее используемыми металл-ионными аккумуляторами (МИА) являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), что определяется высокой плотностью хранения энергии, удельной мощностью и длительным сроком службы. В то же время производство ЛИА сталкивается с рядом проблем, связанных с истощением литиевых ресурсов и, как следствие, высокой стоимостью. В области материаловедения и электрохимии возникают новые задачи, решение которых сводится к созданию новых типов МИА. Возможной заменой ЛИА считаются натрий-ионные аккумуляторы (НИА) благодаря использованию более дешевых материалов, безопасности и применимости для крупномасштабных систем хранения энергии. Проблема активного использования НИА определяется трудностями подбора подходящих проводящих материалов. Выбор структурных аналогов среди известных литий-ионных проводников в ЛИА не является корректным решением. Например, для таких катодных материалов наблюдается низкий процент извлечения натрия, что приводит к уменьшению ёмкости аккумулятора, а также к потере фазовой стабильности. Традиционно используемые в ЛИА анодные материалы на основе углерода плохо подходят для НИА из-за низкой степени интеркаляции ионов Na+. Наиболее распространёнными электролитами в НИА являются соли в органических растворителях, что зачастую приводит к образованию пассивирующего слоя на поверхности анодного материала и, как следствие, к ухудшению работы аккумулятора. Указанная проблема может быть решена переходом от жидких электролитов к твёрдым. В рамках настоящего проекта будет проведен теоретический поиск новых перспективных электродных материалов, а также неорганических твёрдых электролитов для полностью твёрдотельных НИА при помощи высокопроизводительного компьютерного скрининга, включающего в себя кристаллохимические и квантово-химические подходы. Уникальность такого скрининга заключается в поэтапном использовании различных теоретических методов с постепенным увеличением требований к характеристикам натрий-проводящих материалов, выявляя наиболее перспективные, что в дальнейшем сокращает временные и экономические затраты на экспериментальные исследования. В рамках проекта изначальное использование расчётных методов позволит отобрать ряд наиболее перспективных соединений, которые впоследствии будут синтезированы для дальнейшей электрохимической проверки. Основными объектами исследования станут различные тернарные, кватернарные и квинарные неорганические оксиды, халькогениды, галогениды, взятые из Базы Данных Неорганических Соединений (ICSD). Na+-ионная проводимость будет также теоретически изучена в некоторых полианионных соединениях, обладающих высокими окислительно-восстановительными потенциалами за счет индуктивного эффекта, а также прочным 3D каркасом, что определяет их термическую и циклическую стабильности. Отдельно будут исследованы структуры с несколькими d-металлами с переменными степенями окисления, которые могут быть одновременно и катодными, и анодными материалами и использоваться в симметричных ячейках. При этом такие структуры обладают повышенной ёмкостью за счет нескольких окислительно-восстановительных пар. Для экспериментальной проверки результатов теоретического анализа будет проведен синтез не менее трех спрогнозированных материалов и измерены их электрохимические показатели.