Синтез и исследование натрий-ниобий фосфатных бронз Nax(NbO3)2m(PO2)n в качестве потенциальных электродных материалов для натрий-ионных аккумуляторов

Актуальность данного проекта состоит в имеющейся потребности в новых накопителях энергии, вызванной быстрым истощением литиевых ресурсов в результате увеличения спроса на энергоносители. Замена лития на натрий в металл-ионных аккумуляторах позволит частично замедлить потребление литиевых ресурсов за счет сокращения сфер применения. В связи с этим ведется активный поиск перспективных натрийсодержащих материалов, обладающих высокой ионной проводимостью и способностью обратимо интеркалировать ионы натрия в ходе циклирования. К таким материалам можно отнести полианионные натрийсодержащие соединения, которые привлекают внимание высокой проводимостью по ионам натрия, структурной устойчивостью, обеспечивающей стабильность материала при многочисленных циклах заряда/разряда, высокими мощностными характеристиками и высокой теоретической емкостью за счет возможной реализации многоэлектронного процесса с участием двух окислительно-восстановительных пар M(n+1)+/Mn+ и M(n+2)+/M(n+1)+. В данном проекте предлагается синтезировать и исследовать не менее двух натрий-ниобий фосфатных бронз Nax(NbO3)2m(PO2)n (m=1-4 , n=1-4 ). Предполагается, что данные соединения будут обладать высокой ионной проводимостью и способностью к обратимой интеркаляции ионов натрия в процессе циклирования. Научная новизна данного исследования заключается в разработке и изучении натрий-ниобийсодержащих фосфатных бронз Nax(NbO3)2m(PO2)n (m=1-4 , n=1-4 ), что позволит расширить представление о соединениях, которые могут выступать в качестве электродных материалов для натрий-ионных аккумуляторов. В рамках данного проекта планируется выполнить: 1) подбор оптимальных условий синтеза (твердофазный, гидротермальный, золь-гель) натрий-ниобийсодержащих фосфатных бронз Nax(NbO3)2m(PO2)n (m=1-4 , n=1-4 ); 2) всестороннее исследование синтезированных материалов структурными, спектральными, микроскопическими и термическими методами анализа, такими как рентгенофазовый анализ (РФА), инфракрасная спектроскопия (ИК), спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), синхронный термический анализ (СТА); 3) определение путей миграции ионов натрия с последующей оценкой энергетических барьеров путем компьютерного моделирования с использованием программного комплекса ToposPro и softBV, а также проведение кинетического Монте-Карло (KMC) моделирования для расчета ионной проводимости при различных температурах; 4) исследование проводящих свойств с использованием спектроскопии электрохимического импеданса (ионная проводимость) и хроноамперометрии (электронная проводимость) при различных температурах; 5) изучение электрохимических свойств с использованием циклической хронопотенциометрии и определение коэффициентов диффузии ионов натрия с использованием гальваностатического прерывистого титрования (GITT) в полуячейках с натриевым противоэлектродом. 6) исследование состава и структуры продуктов, образующихся в ходе циклирования. Проект в равной степени направлен как на развитие фундаментальных представлений о взаимосвязи проводящих и электрохимических свойств с составом, структурой и дизайном исследуемых материалов, так и на развитие прикладных аспектов, связанных с получением новых функциональных материалов. Поиск новых материалов для накопителей энергии является комплексной и масштабной проблемой, успешное решение которой внесет ощутимый вклад в развитие электрохимического материаловедения.