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 24-23-00224
НазваниеКатодные материалы для магний-ионных аккумуляторов на основе оксидов ванадия, допированных ионами металлов и проводящими полимерами
РуководительКондратьев Вениамин Владимирович, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-402 - Электрохимия и коррозия металлов
Ключевые словаКатодные материалы, магний-ионный аккумулятор, композиты, оксид ванадия, дизайн межслоевого пространства
Код ГРНТИ31.15.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение актуальной задачи создания новых катодных материалов для магний-ионных аккумуляторов на основе слоистых оксидов ванадия с подстраиваемой структурой межслойного пространства с целью получения катодов с повышенными функциональными характеристиками. К числу фундаментальных проблем, решаемых в проекте, относятся: направленный химический дизайн новых электродных материалов для магний-ионных батарей с улучшенными функциональными свойствами, разработка физико-химических принципов поверхностной модификации электродных материалов электроно- и ионо-проводящими полимерами. Будут получены материалы на основе оксидов ванадия, прединтеркалированных ионами алюминия, выступающими в качестве межслойных «стяжек», задающих размер слоистой структуры. Это способствует транспорту сравнительно крупных ионов магния и обеспечивает стабильность структуры оксида. Оптимизация состава и структуры будет проводиться при варьировании при синтезе концентрации ионов металла-модификатора. Дополнительным способом улучшения проводимости материала и повышения стабильности будет введение в состав электродного материала проводящего полимера как за счет поверхностного покрытия зерен с помощью окислительной полимеризации мономера химической модификации , так и интеркаляции полимерных молекул в слоистую структур оксида в ходе гидротермального синтеза. Для снижения поляризующих эффектов от высокой плотности заряда ионов магния планируется апробация разных по составу электролитов с введением добавок для экранирования заряда. В проекте предполагается систематическое исследование электрохимических и структурно-химических свойств допированных ванадий-оксидных катодных материалов, установление факторов, способствующих повышению удельной емкости и стабильности циклического ресурса катодных материалов. Для решения этой задачи в проекте предлагается комплексный подход, в котором сочетаются методы синтеза оксидов ванадия с заданными условиями модификации структуры, исследование структурно-химических свойств, и детальные электрохимические исследования функциональных свойств катодов и кинетических параметров процессов интеркаляции ионов в изучаемые структуры.
Коллектив исполнителей имеет значительный опыт в области синтеза композитов на основе оксида ванадия, опыт аналогичных разработок для цинк-ионных аккумуляторов, экспериментального и теоретического анализа электрохимических процессов, происходящих в ходе заряд-разрядных процессов. Члены коллектива обладают развитой инструментальной инфраструктурой и доступом к структурно-химической характеризации материалов, что позволит решать задачи проекта на высоком научном уровне.
Ожидаемые результаты
Разработки энергоемких и мощных электрохимических источников энергии относятся к приоритетным направлениям исследований в современной электрохимии и электрохимическом материаловедении. Растущая потребность в мобильных источниках энергии для использования в гибридных и электрических транспортных средствах, переносных устройствах, средствах связи, в автономных аппаратах и робототехнике, а также в стационарных накопителях энергии требует от исследователей дальнейшего изучения свойств и улучшения характеристик материалов для эффективных источников тока. Магний-ионные аккумуляторы рассматриваются как перспективные источники тока, способные обеспечивать высокие удельные емкости и безопасность эксплуатации. Благоприятным фактором также является доступность магния в земной коре и небольшая стоимость электродного материала.
Проект направлен на решение актуальной задачи создания новых катодных материалов на основе слоистых оксидов ванадия для цинк-ионных аккумуляторов с повышенными функциональными характеристиками по удельной емкости, плотности энергии и циклическому ресурсу. Ожидается, что в результате выполнения проекта будут разработаны методики синтеза новых по составу и структуре катодных материалов на основе оксида ванадия, прединтеркалированного ионами алюминия (AlxV2O5) и проводящим полимером поли-3.4-этилендиокситиофеном (AlxV2O5/PEDOT). Будут установлены оптимальные соотношения вводимых молекулярных и ионных модификаторов, которые позволят получить стабильные структуры с расширенным межслоевым пространством и смягчением (буферированием) поляризационных эффектов от интеркалируемых в состав ионов магния. Дополнительно, будут получены данные о роли поверхностной химической модификации полученных зерен оксидов ванадия AlxV2O5 проводящим полимером PEDOT.
Электрохимические свойства образцов катодных материалов будут изучены методом гальваностатических заряд–разрядных кривых и методом циклической вольтамперометрии при варьировании параметров плотности тока и скорости развертки потенциала. Тестирование катодных материалов будет проводиться в трехэлектродных герметичных ячейках оригинальной конструкции и двухэлектродных стандартных ячейках типа coin cell CR2032 с использованием в качестве основных электролитов ацетонитрильных электролитов с солями Mg(ClO4)2 или Mg(CF3SO3)2 с добавками молекулярных компонентов. Наряду с основными ацетонитрильными электролитами предполагается апробация электролитов на основе других растворителей (тетрагидрофуран, диметоксиэтан). Важной частью исследований механизма процессов интеркаляции ионов магния в катодные материалы будут in situ измерения массопереноса с помощью электрохимических кварцевых микровесов.
В ходе выполнения проекта мы рассчитываем получить новые катодные материалы для магний ионных аккумуляторов с высокой электронной и ионной проводимостью, и повышенными величинами удельной емкости и циклической стабильности.
Ранее наши исследования касались разработок водных цинк ионных аккумуляторов с катодами на основе оксидов металлов, в том числе слоистых оксидов ванадия. Были наработаны методики синтеза сложных композитных материалов с включениями проводящего полимера в состав оксида ванадия. Это оказалось плодотворным подходом к получению стабильных и высоко-емких катодов для цинк-ионных аккумуляторов. Теоретически катодные материалы для цинк- ионных аккумуляторов могут быть использованы и для магний-ионных систем, где имеют место близкие ионные радиусы Mg2+ и Zn2+ и наблюдаются похожие закономерности интеркаляции двухзарядных ионов.
Апробация указанных подходов очень важна для становления этой тематики и позволит научной группе далее полноценно развивать ее в последующих работах. Решение задач проекта должно привести к более полному пониманию фундаментальных механизмов процессов электрохимической интеркаляции ионов в магний-ионных системах с композитными катодами на основе слоистых оксидов ванадия AlxV2O5 и AlxV2O5/PEDOT. Полученные в ходе выполнения проекта данные о взаимосвязи химического состава и структуры материалов на основе оксидов ванадия и данных о функциональных свойствах катодов на их основе в сочетании с установленными закономерностями кинетических и масс-транспортных процессов позволят глубже понять природу процессов и пути усовершенствования материалов магний ионных аккумуляторов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ