Новые высокоэнергоемкие катодные материалы на основе фосфатов и фторидофосфатов для металл-ионных аккумуляторов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-73-00313

НазваниеНовые высокоэнергоемкие катодные материалы на основе фосфатов и фторидофосфатов для металл-ионных аккумуляторов

Руководитель Федотов Станислав Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Металл-ионный аккумулятор, катодные материалы, фторидофосфаты, высокая энергоемкость, ионный транспорт, кристаллохимический дизайн материалов, кристаллическая структура

Код ГРНТИ31.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы создания новых катодных материалов для металл-ионных аккумуляторов, поиск возможностей увеличения удельной емкости и исследование взаимосвязи химического состава, кристаллической структуры и электрохимических свойств. Исследования последних нескольких лет продемонстрировали, что преодоление лимитов по удельным энергетическим показателям, которых достигли большинство используемых в настоящее время катодных материалов, возможно путем вовлечения электрохимической активности анионной подрешетки или за счет использования двухэлектронного (многоэлектронного) редокс-процесса на переходном металле. Объекты исследования в рамках данного проекта, фосфаты и фторидофосфаты лития, натрия и переходных металлов AxMPO4F1-yOy (A = Li, Na; M = Ti, V, Mn; 0 < x < 2; 0 < y < 1), кристаллизующиеся в структурном типе калий титанил фосфата, KTiOPO4, (КТР), представляют интерес за счет уникальной кристаллической структуры, обладающей системой обширных пустот и каналов и предоставляющей возможность обратимой интеркаляции более одного иона щелочного металла на атом переходного металла, т. е. реализации многоэлектронного редокс-процесса (при условии выполнения требований по химическому составу), а также обеспечивающей быстрый транспорт ионов, что позволяет прогнозировать соответствующий рост удельной емкости, а также привлекательные мощностные характеристики. Для синтеза предлагаемых объектов исследования будет использован комбинированный метод, включающий получение соединения прекурсора гидро(сольво)термальным и/или криохимическим методами, позволяющими синтезировать наноструктурированные материалы с определенной морфологией и размером частиц. Затем, путем химического ионного обмена (в т. ч. в рамках гидро(сольво)термальных условий) или ионного обмена в электрохимической ячейке будут получены AxMPO4F1-yOy (A = Li, Na; M = Ti, V, Mn; 0 < x < 2; 0 < y < 1). Такой двухстадийный метод синтеза дает возможность получить и зафиксировать метастабильные составы, характеризующиеся структурным типом соединения-предшественника. Двухэлектронный процесс в AxMPO4F1-yOy в зависимости от x будет реализован за счет или только реакции деинтеркаляции (x = 2), или деинтеркаляции имеющегося одного эквивалента A+ и интеркаляции дополнительного иона A+ (x = 1), или только реакции интеркаляции (x = 0). Суммарная теоретическая удельная емкость катодных материалов на основе таких соединений в зависимости от химического состава сможет составить 300 – 320 мАч/г, а соответствующая энергоемкость до ~1000 мВтч/г. Общий план работ по проекту включает: 1) Синтез фосфатов и фторидофосфатов щелочных и переходных металлов, кристаллизующихся в структурном типе калий-титанил фосфата (KTP) криохимическим и гидро(сольво)термальными методами, в том числе с последующим ионным обменом. 2) Физико-химическая аттестация синтезированных материалов. а) Определение фазового состава, параметров элементарных ячеек, кристаллической структуры методами порошковой рентгеновской (синхротронной) и электронной дифракции. б) Изучение микроструктуры и морфологии образцов методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии. в) Исследование локальной структуры материалов с использованием методик электронной микроскопии высокого разрешения. г) Определение состава и химической гомогенности полученных образцов методом локального рентгеноспектрального анализа. 3) Анализ системы диффузионной системы в исследуемых катодных материалах, оценка энергетических барьеров диффузии, построение карт миграции ионов лития/натрия кристаллохимическими методами. 4) Исследование электрохимических свойств и процессов в катодных материалах методами гальваностатического циклирования, циклической вольтамперометрии, потенциостатического прерывистого титрования. 5) Изучение фазовых трансформаций, происходящих в процессе де/интеркаляции катионов щелочных металлов методами рентгеновской дифракции в режимах operando и in situ, а также на разных стадиях заряда/разряда с использованием электронной томографии обратного пространства. 6) Квантово-химическое моделирование характеристик катодных материалов: электродных потенциалов, энергетических барьеров диффузии, изменения объема в процессе циклирования, электронной структуры.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Федотов С.С., Лучинин Н.Д., Аксенов Д.А., Морозов А.В.,Рязанцев С.В.,Стевенсон К.Д., Абакумов А.М., Антипов Е.В. Enabling Ti-based cathode materials for rechargeable batteries: KTiPO4F Chemistry of Materials (год публикации - 2019)

2. Каторова Н. С., Федотов С. С., Рупасов Д. П., Лучинин Н. Д., Делаттр Б, Чанг Е.-М., Абакумов А. М., Стевенсон К. Дж. Effect of Concentrated Diglyme-based Electrolytes on the Electrochemical Performance of Potassium-ion Batteries ACS Applied Energy Materials (год публикации - 2019)

3. Каторова Н.С., Федотов С.С., Рупасов Д.П., Лучинин Н.Д., Делаттр Б., Чанг Е.-М., Абакумов А.М., Стевенсон К.Дж. Effect of Concentrated Diglyme-based Electrolytes on the Electrochemical Performance of Potassium-ion Batteries Applied Energy Materials (American chemical society), 2 (8) 6051-6059 (год публикации - 2019)
10.1021/acsaem.9b01173

4. Станислав Федотов, Никита Лучинин, Дмитрий Аксенов, Анатолий Морозов, Сергей Рязанцев, Маттиа Габоарди, Яспер Плазир, Кейт Стевенсон, Артем Абакумов, Евгений Антипов Titanium-based potassium-ion battery positive electrode with extraordinarily high redox potential Nature Communications, Nat. Commun, 11 1484 (год публикации - 2020)
10.1038/s41467-020-15244-6

5. Полина Морозова, Никита Лучинин, Дмитрий Рупасов, Наталия Каторова, Кейт Стевенсон, Станислав Федотов, Виктория Никитина, Артем Абакумов Electrochemical instability of TFSI-based ionic liquids as solvents in high-voltage electrolytes for potassium-ion batteries Mendeleev Communications (Elsevier) (год публикации - 2020)

6. Федотов С.С., Самарин А.Ш., Антипов Е.В. KTiOPO4-structured electrode materials for metal-ion batteries. Review. Journal of Power Sources (Elsevier) (год публикации - 2020)

7. Лучинин Н.Д., Федотов С.С, Антипов Е.В. Hydrothermal synthesis and electrochemical investigation of KTiPO4F as a cathode material for rechargeable batteries Lithium ion battery discussions (LiBD-2019) (год публикации - 2019)

8. Лучинин Н.Д., Федотов С.С., Антипов Е.В. Гидротермальный синтез и исследование электрохимических свойств KTiPO4F в качестве катодного материала для металл-ионных аккумуляторов КОНФЕРЕНЦИЯ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА (год публикации - 2019)

9. Федотов С.С., Никитина В.А., Аксенов Д.А., Самарин А.Ш., Лучинин Н.Д., Стевенсон К.Дж., Абакумов А.М., Антипов Е.В. New Fluoride-Phosphate Framework for Facile Reversible Alkali Metal Ion De/Insertion Electrochemical conference: Energy and Environment (ECEE-2019) (год публикации - 2019)

10. Лучинин Н.Д., Федотов С.С., Антипов Е.В. HYDROTHERMAL SYNTHESIS AND ELECTROCHEMICAL INVESTIGATION OF KTiPO4F AS A CATHODE MATERIAL FOR RECHARGEABLE METAL-ION BATTERIES XXI Mendeleev Congress on Pure and Applied Chemistry, Book 3: Abstracts. – Saint Petersburg, 2019 – p. 472 (год публикации - 2019)

Публикации