Разработка новых высокоемких отрицательных электродов (анодов) на основе фосфидов германия 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 21-13-00160

НазваниеРазработка новых высокоемких отрицательных электродов (анодов) на основе фосфидов германия для натрий-ионных аккумуляторов

Руководитель Кулова Татьяна Львовна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук , г Москва

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

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-402 - Электрохимия и коррозия металлов

Ключевые слова Натрий-ионный аккумулятор, фосфид германия, обратимое внедрение натрия, деградация при циклировании

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на синтез и исследование новых высокоёмких анодных материалов на основе фосфидов германия с целью разработки натрий-ионного аккумулятора, характеризующегося повышенными значениями удельной энергии и стабильности при циклировании. Актуальность проекта заключается в необходимости создания более энергоемких, безопасных и надежных химических источников тока для повышения качества жизни человека и решения проблемы эффективного запасания энергии, вырабатываемой альтернативными источниками. Теоретические удельные ёмкости материалов на основе фосфора и германия почти на порядок превосходят теоретическую удельную ёмкость твёрдого углерода (общепризнанный сейчас анодный материал натрий-ионного аккумулятора), что создает предпосылки для разработки новых высокоемких анодных материалов. При внедрении натрия в фосфор и германий образуются материалы, сильно обогащенные щелочным металлом. Однако внутренние напряжения, возникающие в таких материалах, приводят к разрушению электродов при циклировании. Кроме того, как правило, высокоемкие анодные материалы характеризуются низкой эффективностью циклирования на первом цикле, что связано с особенностями формирования пассивной пленки на поверхности таких анодных материалов. Как следует из единичных опубликованных работ, фосфиды германия различного состава (GeP, GeP3, GeP5) характеризуются высокой емкостью при обратимом внедрении натрия и лучшей стабильностью при циклировании по сравнению с электродами на основе германия или фосфора. Синтез фосфидов германия различного состава и морфологии, исследование их электрохимических характеристик и деградации при обратимом внедрении натрия является новой задачей в области перезаряжаемых химических источников тока. Синтез и физико-химические исследования материалов будут проводиться в комплексе со специально разработанной программой электрохимического тестирования, направленной на количественную оценку необратимых потерь емкости на первом цикле и деградации при циклировании. При разработке новых высокоемких материалов на основе фосфидов германия будет исследовано влияние условий синтеза на морфологию, состав и электрохимические свойства анодного материала, а также взаимосвязь между морфологией и микроструктурой анодного материала и деградацией при циклировании. На финальной стадии проекта будут разработаны аккумуляторы нового поколения - натрий-ионные аккумуляторы, характеризующиеся повышенной энергоемкостью по сравнению с натрий-ионными аккумуляторами, содержащими углеродный анод. Натрий-ионные аккумуляторы будут выгодно отличаться от современных коммерческих литий-ионных аккумуляторов большей доступностью исходных материалов, а их энергоемкость будет сопоставима с энергоемкостью современных коммерческих литий-ионных аккумуляторов. В качестве активного материала положительного электрода (катода) будет использован ванадофосфат натрия. Разрабатываемые аккумуляторы будут работоспособны в условиях пониженных температур. При разработке новых электрохимических систем натрий-ионных аккумуляторов будет оптимизирован состав электролита, в частности, будет исследована возможность использования электролитов на основе пропиленкарбоната с добавками, обеспечивающими высокую эффективность циклирования за счёт подавления восстановления электролита. Электролиты на основе пропиленкарбоната позволяют существенно расширить температурный диапазон работоспособности в область низких температур. На основе результатов тестирования лабораторных макетов натрий-ионных аккумуляторов системы «ванадофосфат натрия-фосфид германия» будут даны рекомендации по практическому использованию результатов проекта. Таким образом, новизна проекта заключается в разработке оптимального метода синтеза новых высокоемких анодных материалов на основе фосфидов германия для натрий-ионного аккумулятора, получении новых данных по кинетическим параметрам при обратимом внедрении натрия в фосфиды германия (в том числе при отрицательных температурах), предлагаемых подходах для снижения деградации при циклировании, уменьшении необратимой емкости на первом цикле, а также разработке новой электрохимической системы для натрий-ионного аккумулятора. Разработанные подходы для повышения обратимости внедрения-экстракции натрия, стабильности при циклировании будут носить общий характер и будут полезны для других электрохимических систем, где важную роль играют вопросы, связанные с изменением объёма активного материала и большой необратимой емкостью электрохимического процесса.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кулова Т.Л., Грызлов Д.Ю., Скундин А.М., Гаврилин И.М., Кудряшова Ю.О., Покрышкин Н.С. Anode Material Synthesized from Red Phosphorus and Germanium Nanowires for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries International Journal of Electrochemical Science, V.16, Article Number: 211229 (год публикации - 2021)
10.20964/2021.12.23

2. Кулова Т.Л., Грызлов Д.Ю., Скундин А.М., Гаврилин И.М., Мартынова И.К., Кудряшова Ю.О. Causes of Germanium Phosphide Degradation under Prolonged Cycling. EIS Study International Journal of Electrochemical Science (год публикации - 2022)

3. Кулова Т.Л. Высокоёмкие анодные материалы на основе германия для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов Материалы XVI Международной конференции "Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах", С. 31 (год публикации - 2021)

4. Скундин А.М., Грызлов Д.Ю., Кудряшова Ю.О., Кузьмина А.А., Кулова Т.Л. Синтез и электрохимические свойства фосфида германия при обратимом внедрении натрия Материалы XVI Международной конференции «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», С. 43 (год публикации - 2021)

5. Кулова Т.Л., Скундин А.М. Материалы на основе германия в литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторах Материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая, «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах — ФАГРАН-2021», С. 140-142 (год публикации - 2021)

6. Кулова Т.Л., Грызлов Д.Ю., Кудряшова Ю.О., Скундин А.М. Отрицательные электроды (аноды) на основе фосфидов германия для натрий-ионных аккумуляторов Материалы IX Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения Я.А. Угая, «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах — ФАГРАН-2021», С. 80-81 (год публикации - 2021)

7. Кулова Т.Л., Скундин А.М., Гаврилин И.М., Кудряшова Ю.О., Мартынова И.К., Новикова С.А. Binder-Free Ge-Co-P Anode Material for Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries Batteries, V. 8, N.8, Article 98 (год публикации - 2022)
10.3390/batteries8080098

8. Кулова Т.Л., Скундин А.М. Electrode/Electrolyte Interphases of Sodium-Ion Batteries Energies, V. 15, N. 22, Article 8615 (год публикации - 2022)
10.3390/en15228615

9. Кулова Т.Л., Скундин А.М., Гаврилин И.М. Electrodes of Germanium and Germanium Phosphide Nanowires in Lithium-Ion and Sodium-Ion Batteries Russian Journal of Electrochemistry, V. 58, pages 855–868 (год публикации - 2022)
10.1134/S1023193522100081

10. Грызлов Д.Ю., Кулова Т.Л., Нугманова А.Г., Скундин А.М., Кудряшова Ю.О. Electrochemical interaction of lithium and sodium with gallium phosphide Mendeleev Communications (год публикации - 2024)

11. Кулова Т.Л., Гаврилин И.М., Скундин А.М., Ковтушенко Е.В., Кудряшова Ю.О. New electrochemical systems for sodium-ion batteries Russian Journal of Physical Chemistry A (год публикации - 2024)

12. Ковтушенко Е.В., Гаврилин И.М., Мартынова И.К., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Анодный материал Ge-Co-P для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов МАТЕРИАЛЫ Международной научно-технической конференции «Современные электрохимические технологии и оборудование – 2023», С. 101-102 (год публикации - 2023)

13. Кулова Т.Л. Перспективы применения материалов на основе германия в натрий-ионных аккумуляторах Современные электрохимические технологии и оборудование : материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 15–19 мая 2023 г., С. 108-109 (год публикации - 2023)

14. Кудряшова Ю.О., Гаврилин И.М., Грызлов Д.Ю., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Новые электрохимические системы “NaFe0.5Mn0.5PO4 – Ge” и “NaFe0.5Mn0.5PO4 – GeP” для натрий-ионных аккумуляторов Современные электрохимические технологии и оборудование: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 15–19 мая 2023 г., С. 203-205 (год публикации - 2023)

15. Ли С.А., Кудряшова Ю.О., Гаврилин И.М., Мартынова И.К., Кулова Т.Л. , Скундин А.М. Исследование причин деградации фосфида германия при длительном циклировании в натрийсодержащем электролите Современные электрохимические технологии и оборудование: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 15–19 мая 2023 г., С. 122 -123 (год публикации - 2023)

Публикации