Исследование и разработка гибридных электродных материалов литий-ионного аккумулятора с высокой энергетической плотностью

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 19-79-10216

НазваниеИсследование и разработка гибридных электродных материалов литий-ионного аккумулятора с высокой энергетической плотностью

Руководитель Гаврилова Татьяна Павловна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова электрохимические источники энергии, литий-ионные аккумуляторы, гибридные электродные материалы, мезопористые материалы, композиты, интеркаляция

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка новых систем хранения и преобразования энергии, обладающих высокой энергетической плотностью, является одной из важнейших задач современной электроэнергетики, ориентированной на энергоэффективность и ресурсосберегающие технологии. В этом отношении литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) рассматриваются как перспективные электрохимические системы хранения и преобразования энергии. Такие источники питания способны запасать в несколько раз больше энергии на единицу веса, чем традиционные накопители (аккумуляторные батареи и т.п.). Работа ЛИА основана на обратимых циклах заряда и разряда, при которых ионы лития переходят с катода на анод и обратно, создавая разность потенциалов между электродами. Как правило, в литий-ионных ячейках используются литиевые оксиды кобальта, никеля, марганца в качестве катода и различные углеродные матрицы в качестве анода. Открытая трёхмерная кристаллическая структура этих соединений способствует лёгкой диффузии ионов Li+. Наряду с подходящей кристаллической структурой, электронная структура электродных материалов оказывает важное влияние на процессы интеркаляции/ деинтеркаляции ионов Li+. Несомненно, важной составляющей в проблеме интеркаляции лития в различные среды является обратимость процесса, т.е. деинтеркаляция лития из среды, что, соответственно, определяется характером связи лития с молекулярной структурой аккумулирующего материала. Поэтому фундаментальное понимание взаимосвязи между рабочими параметрами электролитической ячейки и внутренними, электронными и кристаллическими свойствами электродных материалов имеет определяющее значение для создания новых материалов и разработки новых подходов к их получению. В рамках рассматриваемой фундаментальной задачи представляет несомненный интерес развитие новых подходов при разработке конструкции электродов и создании новых электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Традиционно в качестве анода литий-ионного аккумулятора используется графит. Однако, его ограниченная энергетическая емкость (372 мАч/г) обуславливает необходимость разработки новых более эффективных материалов. В частности, в настоящее время в мире широко исследуются возможности применении германия (Ge) и кремния (Si) в ЛИА из-за их теоретически гораздо более высоких характеристик (3579 мАч/г для кремния и 1384 мАч/г для германия). Однако создать эффективный литий-ионный аккумулятор с кремниевым или германиевым анодом и низкой себестоимостью до сих пор не удалось. Во время зарядки анод расширяется в 2-4 раза от своего исходного объёма, а при разрядке «сдувается», и уже через несколько циклов деградирует и выходит из строя. В данном проекте предлагается разработать и исследовать новый материал для анодов ЛИА – наноструктурированный германий, полученный путем ионной имплантации различных типов ионов с различной энергией в германиевую матрицу. В процессе имплантации происходит не только формирование наноструктурированного пористого германия, но и его аморфизация, которая ослабляет эффекты механических напряжений, приводящих к деградации электрода в процессе интеркалирования/ деинтеркалирования ионов лития. Кроме того, при такой обработке может наблюдаться структурный фазовый переход части наноструктурированного Ge в полиморфное состояние Ge(II) со структурой типа белого олова (β-Sn), обладающее металлическими свойствами. Создание такой смешанной двухфазной структуры представляет собой новый подход к решению проблемы деградации анодного материала, поскольку в материале создается наноразмерная пластичная металлическая фаза, способная ослабить эффекты механических напряжений. Как уже отмечалось, при разряде литиевой электрохимической ячейки, ионы лития деинтеркалируются из анода, в качестве которого используются различные углеродные матрицы, и интеркалируются в катод, в качестве которого используют литиевые оксиды переходных элементов. Поэтому определяющую роль в рабочих параметрах реальной электрохимической ячейки играет согласованная эффективная работа обоих электродов. Для традиционно применяемых материалов катода в литий-ионных аккумуляторов наблюдается высокий электронный и относительно низкий ионный транспорт. Для достижения высоких показателей эффективности ЛИА необходимо обеспечить хороший ионный и электронный транспорт в системе. Поэтому в качестве катодного материала в данном проекте будут использованы не только традиционные литиевые оксиды переходных элементов, но и соединение Li3V2(PO4)3. Интерес к этим соединениям обусловлен тем, что кристаллическая структура данного типа стабильна по отношению к изменению валентности катионов переходных элементов, вызываемой процессами интеркаляции/деинтеркаляции щелочного элемента при заряде/разряде аккумуляторной ячейки. Высокая плотность тока в электрохимической ячейке предполагает высокую подвижность лития в исследуемых системах, поэтому мы ожидаем достаточно высокий коэффициент диффузии лития в наших образцах. Как известно, с уменьшением концентрации увеличивается подвижность щелочного элемента (M. Parka, X. Zhanga, M.Chunga, G.B.Lessa, A.М.Sastrya. A review of conduction phenomena in Li-ion batteries. Journal of Power Sources, Vol. 195, 2010, P.7904–7929). Поэтому еще одним оригинальным подходом, применяемым в данном проекте, будет варьирование концентрации щелочного элемента в композитном материале. Таким образом, данный проект посвящен проблемам, связанным с исследованиями и разработкой литий-ионных аккумуляторов с высокой энергетической плотностью и временем жизни, синтезом новых электродных материалов на основе литиевых оксидов переходных металлов и пористого германия, исследованиями структуры, электронных свойств и электрофизических параметров этих материалов, установлением фундаментальных закономерностей, определяющих взаимосвязь между рабочими параметрами, структурными и электронными свойствами анодных и катодных материалов литий-ионныхаккумуляторов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лядов Н.М., Базаров В.В., Файзрахманов И.А., Шустов В.А., Хантимеров С.М., Гаврилова Т.П., Нуждин В.И. Исследование состава и морфологии приповерхностного слоя германия, имплантированного ионами кобальта Сборник статей XI Международной научно-технической конференции "Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий" (год публикации - 2020)

2. Хантимеров С.М., Фатыхов Р.Р., Базаров В.В., Лядов Н.М., Сулейманов Н.М. Porous Germanium Anode Material for Lithium-Ion Batteries International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, Volume-9 Issue-6, pp. 1398 -1400 (год публикации - 2020)
10.35940/ijitee.F4312.049620

3. Лядов Н.М., Гаврилова Т.П., Хантимеров С.М., Базаров В.В., Сулейманов Н.М., Шустов В.А., Нуждин В.И., Янилкин И.В., Гумаров А.И., Файзрахманов И.А., Тагиров Л.Р. Порообразование в тонких пленках германия при имплантации ионов Ge+ Письма в журнал технической физики, том 46, вып. 14, с. 33 - 35 (год публикации - 2020)

4. Фатыхов Р.Р., Хантимеров С.М., Сулейманов Н.М., Базаров В.В., Лядов Н.М. Анодный материал на основе пористого германия для литий-ионных аккумуляторов Сборник тезисов XV МЕЖДУНАРОДНОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ "ТИНЧУРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ" (год публикации - 2020)

5. Гаврилова Т.П., Хантимеров С.М., Фатыхов Р.Р., Яцык И.В., Черосов М.А., Ли Х.С., Вишванатан Р., Сараванан К., Сулейманов Н.М. Magnetic properties and vanadium oxidation state in α-Li3V2(PO4)3/C composite: Magnetization and ESR measurements Solid State Communications, 323, 114108 1-6 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ssc.2020.114108

6. Лядов Н.М., Хантимеров С.М., Янилкин И.В., Файзрахманов И.А., Базаров В.В., Валеев В.Ф., Сулейманов Н.М., Киржек К., Гаврилова Т.П. Analysis of nanostructured cobalt ion beam-modified Ge surface for high capacity Li-ion battery anodes by X-ray photoelectron spectroscopy Journal of Physics: Conference Series, V. 1588, Is. 1, pp. 012024 1-7 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1588/1/012024

7. Гаврилова Т., Лядов Н., Хантимеров С., Сулейманов Н., Базаров В., Шустов В., Янилкин И., Гумаров А. Optical parameters study of amorphous germanium (α-Ge) by spectral ellipsometry Book of Abstracts of the "3rd International Conference on Nanomaterials Science and Mechanical Engineering" (Aveiro, Portugal), p. 147 (год публикации - 2020)

8. Гаврилова Т.П., Хантимеров С.М., Фатыхов Р.Р., Яцык И.В., Балайа П., Сулейманов Н.М. ESR Investigation of Magnetic Properties and Vanadium Oxidation State in α-Li3V2(PO4)3/C Composite Abstracts of the International Conference "Modern development of Magnetic Resonance" (Kazan, Russia), p. 129-130 (год публикации - 2020)

9. Гаврилова Т.П., Хантимеров С.М., Черосов М.А., Батулин Р.Г., Лядов Н.М., Яцык И.В., Деева Ю.А., Туркин Д.И., Чупахина Т.И., Сулейманов Н.М. Magnetic properties of Li3V2(PO4)3/Li3PO4 composite Magnetochemistry, V. 7, p. 64 1-9 (год публикации - 2021)
10.3390/magnetochemistry7050064

10. Степанов А.Л., Хантимеров С.М., Нуждин В.И., Валеев В.Ф., Рогов А.М. Formation of nanoporous Ge layers by ion implantation at different temperatures of c-Ge substrate Vacuum, Volume 194, pages 110552 1-5 (год публикации - 2021)
10.1016/j.vacuum.2021.110552

11. Гаврилова Т.П., Хантимеров С.М., Нуждин В.И., Валеев В.Ф., Рогов А.М., Степанов А.Л. СОЗДАНИЕ СЛОЕВ НАНОПОРИСТОГО ГЕРМАНИЯ РАЗЛИЧНОЙ МОРФОЛОГИИ МЕТОДОМ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ДЛЯ АНОДОВ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ Материалы 14-й Международной конференции "ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ" (Минск, Беларусь 21 – 24 сентября 2021 г.), стр.424-428 (год публикации - 2021)

12. Степанов А.Л., Фаттахов Я.В., Хантимеров С.М., Нуждин В.И., Валеев В.Ф., Коновалов Д.А., Фаррахов Б.Ф., Рогов А.М. ОТЖИГ СЛОЕВ НАНОПОРИСТОГО ГЕРМАНИЯ НЕКОГЕРЕНТНЫМ ИМПУЛЬСОМ СВЕТА Материалы 14-й Международной конференции "ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ" (Минск, Беларусь 21 – 24 сентября 2021 г.), стр. 354-358 (год публикации - 2021)

13. Гаврилова Т.П., Хантимеров С.М., Яцык И.В., Сулейманов Н.М. Magnetic properties of Li3V2(PO4)3/C and Li3V2(PO4)3/Li3PO4 composites: ESR measurements Proceedings of 19th International School-Conference MAGNETIC RESONANCE AND ITS APPLICATIONS (March 28 — April 1, 2022, Saint Petersburg, Russia), p. 77-79 (год публикации - 2022)

14. Гаврилова Т.П., Лядов Н.М., Хантимеров С.М., Сулейманов Н.М., Базаров В.В., Шустов В.А., Янилкин И.В., Гумаров А.И. OPTICAL PARAMETERS STUDY OF AMORPHOUS GERMANIUM (α-Ge) BY SPECTRAL ELLIPSOMETRY Book of abstracts of the Applied Nuclear Physics (ANP) conference 2021 (Prague, Czech Republic, September 12–17, 2021), с. 100 (год публикации - 2021)

15. Гаврилова Т.П., Хантимеров С.М., Нуждин В.И., Валеев В.Ф., Рогов А.М., Степанов А.Л. Создание анода литий-ионного аккумулятора на основе нанопористого германия, сформированного имплантацией ионами серебра Письма в Журнал технической физики, том 48, вып. 8, с. 33-35 (год публикации - 2022)
10.21883/PJTF.2022.08.52364.19096

16. Шарафутдинова А.М., Павликов А.В., Рогов А.М., Бокова-Сирош С.Н., Образцова Е.Д., Степанов А.Л. Laser-induced heating of porous Ge layers implanted with Ag+ and Cu+ ions Journal of Raman Spectroscopy, Том 53 (год публикации - 2022)
10.1002/jrs.6332

17. Степанов А.Л., Хантимеров С.М. Ion beam implantation technology for production of thin nanoporous Ge-layers suited for Li-ion batteries Handbook of Energy Material,Springer Nature, Switzerland AG (год публикации - 2022)

Публикации