Комплексное исследование структурных трансформаций и фазовых переходов в перспективных катодных материалах для натрий-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 21-12-00261

НазваниеКомплексное исследование структурных трансформаций и фазовых переходов в перспективных катодных материалах для натрий-ионных аккумуляторов

Руководитель Самойлова Наталия Юрьевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Международная межправительственная научно-исследовательская организация Объединенный институт ядерных исследований , Московская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-211 - Образование и структура кристаллов

Ключевые слова Натрий-ионные аккумуляторы, литий-ионные аккумуляторы, катодные материалы, функциональные материалы, химические источники тока, дифракция нейтронов, рассеяние рентгеновского излучения, in situ, operando

Код ГРНТИ29.19.04

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие литий-ионных технологий и активное применение литий-ионных аккумуляторов в самых разнообразных устройствах, требующих перезаряжаемых источников химического тока (мобильные устройства, электротранспорт, станции сохранения электроэнергии и т.д.) ведут к резкому росту потребления лития. Учитывая ограниченность запасов лития как природного ископаемого и все большую востребованность аккумуляторов с высокими показателями энергоемкости, развитие альтернативных энергосберегающих технологий, использующих распространенные на Земле химические элементы, является чрезвычайно важным. Среди самых распространенных элементов в земной коре натрий по своим свойствам является самым близким к литию элементом, что позволяет создавать химические источники тока на основе ионов натрия по своим характеристикам близкие к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). При этом стоимость таких аккумуляторов будет значительно ниже ЛИА, а производство не будет испытывать дефицит ключевого элемента. Кроме того, в некоторых работах демонстрируется преимущество использования перспективных натрий-ионных аккумуляторов (НИА) при низких температурах (сохранение 53% начальной емкости при 0°С против 29% у аналогичного материала для ЛИА, см. [Kazuhiko Mukai et al., ACS Omega 2017]). Из-за схожести свойств многие уже распространенные литий-ионные технологии могут быть применены для развития и коммерциализации НИА. В последние годы наблюдается резкий рост публикаций, посвященных исследованию материалов перспективных для НИА. Так было показано (см., например, [Wei Luo, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015]), что в качестве анода, наиболее целесообразно использовать твердый углерод («hard carbon»). А в качестве катода могут выступать материалы, содержащие натрий и по своей структуре схожие с аналогичными материалами для ЛИА и обеспечивающие процессы интеркаляции-деинтеркаляции ионов натрия, где основные из них: слоистые оксиды, полианионные соединения, соединения со структурой гексацианоферратов [А. М. Скундин, Т. Л. Кулова, А. Б. Ярославцев, Электрохимия 2018; Qiannan Liu et al., Adv. Funct. Mater. 2020]. Однако из-за большего радиуса иона натрия в сравнении с ионом лития (0.98 Å против 0.68 Å) структурные трансформации в катодных материалах для НИА заметно отличаются от структурных трансформаций схожих по строению катодных материалов для ЛИА при электрохимическом циклировании, что, в свою очередь, сказывается и на конечных эксплуатационных характеристиках – так, на настоящий момент, в подавляющем большинстве случаев, удельная емкость катодных материалов для НИА заметно меньше их аналогов для ЛИА [Yang Sun et al. Adv. Energy Mater. 2018]. Однако, как было показано еще в 2012 году, определенные модификации кристаллической структуры катодного материала, достигаемые с помощью дефицита по натрию и допирования исходного соединения переходными металлами позволяют получить емкостные характеристики НИА близкие по своим величинам к ЛИА [Naoaki Yabuuchi et al., Nature Materials 2012] . При реализации настоящего проекта будет проведено тщательное исследование структурных и микроструктурных характеристик перспективных катодных материалов для НИА с различными модификациями кристаллической структуры, в том числе непосредственно во время электрохимического циклирования с целью их дальнейшего совершенствования и достижения емкостных и эксплуатационных показателей аналогичных современным катодным материалам для ЛИА. Проект предполагает проведение изучения поведения кристаллической структуры материалов при их циклировании в различных температурных диапазонах и построения карты фазовых состояний для большого количества соединений, пригодных для использования в качестве катодов в НИА. Данная информация является крайне дефицитной, востребованной и актуальной для электрохимиков и разработчиков химических источников тока, так как эксплуатация аккумуляторов происходит при различных температурах. Для реализации проекта планируется использовать, прежде всего, нейтронную дифракцию высокой интенсивности, которая благодаря высокой проникающей способности нейтронов и чувствительности к легким элементам позволяет эффективно отслеживать структурные превращения в кристаллических материалах для натрий-ионных аккумуляторов в режиме реального времени их эксплуатации и при наложении внешних температурных условий. Вторым основным экспериментальным методом будет выступать рентгеновская дифракция, позволяющая проводить фазовую идентификацию материалов, а в ряде случаев успешно использовать и в экспериментах реального времени. Фазовый анализ также будет сопряжен с методом методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) для фиксированных составов электродов. Полученные данные будут сопоставлены с зависимостью титрования, что в совокупности со структурными методами даст полное представление о фазовых состояниях электродов во время работы ячейки. Для получения информации при заданных температурных условиях (предполагается диапазон от -40°С до +60°С) будут разработаны специальные электрохимические ячейки для нейтронографических и рентгенодифракционных экспериментов. По мере необходимости для решения задач планируется привлекать и другие методики: электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию, рамановскую спектроскопию, ядерный магнитный резонанс, нейтронную радиографию, малоугловое нейтронное рассеяние и т.д. Таким образом, настоящий проект нацелен на проведение актуальных исследований на самом передовом уровне, необходимых для полного понимания процессов, происходящих в перспективных катодных материалах для НИА и дальнейшего их усовершенствования что, несомненно, откроет новые возможности в развитии натрий-ионных технологий как непосредственно в России так и в мире.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бобриков И.А., Гапон И.В., Авдеев М.В. Рассеяние нейтронов в исследованиях материалов и переходных процессов в литиевых накопителях энергии на импульсном реакторе ИБР-2 Физика элементарных частиц и атомного ядра (год публикации - 2022)

2. Донец М.Е., Самойлова Н.Ю., Корнеева Е.А., Бобриков И.А. Mechanical Milling Effect on Structural and Electrochemical Properties of Cathode Material Physics of Particles and Nuclei Letters, 19, No. 5, 532–535 (год публикации - 2022)
10.1134/S1547477122050156

3. Ушакова Е.Е., Иваньшина О.Ю., Сумников С.В., Бобриков И.А. Stabilizing Na0.7MnO2 Cathode for Na-Ion Battery via Surface Coating Physics of Particles and Nuclei Letters, 19, No. 5, 539–542 (год публикации - 2022)
10.1134/S1547477122050430

4. Ли Ж., Ма Х., Бобриков И.А., Сан К., Ванг Х., Хе Л., Ли Ю., Чен Д. Unraveling the Synergistic Effect of Mg and Ti Codoping to Realize an Ordered Structure and Excellent Performance for Sodium-Ion Batteries ACS Applied Materials & Interfaces, 14, 7869−7877 (год публикации - 2022)
10.1021/acsami.1c20757

5. Пономарева О.Ю., Сумников С.В., Васин Р.Н., Корнеева Е.А., Самойлова Н.Ю. Фазовые превращения в натрий-обогащённых катодных материалах «Prussian White» с разной морфологией Physics of Particles and Nuclei Letters (год публикации - 2024)

6. Самойлова Н.Ю., Бобриков И.А., Рязанов И., Сумников С.В., Васин Р.Н., Корнеева Е.А., Пономарева О.Ю., Новиков В. Peculiarities of charge-discharge processes in Prussian white electrodes with different level of dehydration Journal of Alloys and Compounds, 983, 173849 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2024.173849

7. Суслов Е.А., Постников М.С., Сумников С.В., Титов А.Н. Изучение электронной системы и критических точек системы NixTiSe2 методом ЭДС XXII Всероссийская школа - семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-22) памяти М. И. Куркина, стр. 145 (год публикации - 2022)

8. Суслов Е.А., Постников М.С., Титов А.Н., Сумников С.В., Васин Р.Н., Корнеева Е.А., Бобриков И.А., Самойлова Н.Ю. Effect of cobalt on structural and electrochemical properties of TiSe2 system and its sodiation The Journal of Physical Chemistry C, J. Phys. Chem. C 2023, 127, 47, 22889–22896 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpcc.3c05126

Публикации