Гибридные анодные материалы на основе природных графитов для повышения эффективности накопления энергии в литий-ионных аккумуляторах

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 22-73-00053

НазваниеГибридные анодные материалы на основе природных графитов для повышения эффективности накопления энергии в литий-ионных аккумуляторах

Руководитель Братков Илья Викторович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" , Ивановская обл

Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «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 литий-ионный аккумулятор, анодные материалы, графит, наночастицы оксидов металлов

Код ГРНТИ61.31.40

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен повышению эффективности литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) путем использования специально модифицированных анодных материалов на основе природных графитов отечественных месторождений. В связи с бурным развитием «зеленой» энергетики, ужесточением экологических требований к нормам выброса оксидов углерода (т.н. «углеродный налог») и принятой странами ЕС концепции перехода на электрический транспорт с отказом от автомобилей с ДВС, прогнозируется устойчивый рост потребности в системах накопления и хранения электроэнергии. На настоящий момент наибольшее распространение получили литий-ионные аккумуляторы. Ожидается, что рынки электромобилей / электротранспорта будут ключевым драйвером спроса на ЛИА. Все ЛИА содержат положительный катод, отрицательный анод и электролит, который действует как проводник для ионов Li, когда они перемещаются между катодом и анодом во время циклов зарядки и разрядки. Материалом анода служит, как правило, графит, получаемый как из синтетических, так и из природных источников. Основными преимуществами графита как анодного материала ЛИА являются его доступность, высокая электропроводность, химическая и электрохимическая стабильность. К недостаткам стоит отнести низкую удельную энергоемкость (до 372 мА∙ч/г). Повышение удельной емкости анодных материалов представляется весьма актуальной задачей. В данном проекте предлагается провести поисковые исследования, направленные на разработку простого и дешевого способа получения гибридных электродных материалов ЛИА, обладающих повышенными по сравнению с графитом удельными характеристиками. В качестве решения поставленной задаче предлагается создание композитов типа «ядро – оболочка». В качестве ядра используется сферический графит, а в качестве оболочки наночастицы оксидов переходных металлов. За счет сочетания высокой электропроводности и стабильности свойств графита, а также за счет высокой (до 1000 мА∙ч/г) емкости оксидов переходных металлов, ожидается получение синергетического эффекта и существенный рост удельных характеристик материала. Получение таких материалов представляется актуальной задачей как в теоретическом, так и в практическом смысле. Новизна проекта основана на комплексном подходе к синтезу композита, от стадии получения сферического графита механохимической активацией порошков природного графита, до стадии нанесения модифицирующего покрытия путем осаждения гидроксидов металлов из растворов с последующим отжигом материала. Благодаря такому подходу имеется возможность гибко управлять параметрами материалов, изменяя размер и форму частиц графита, дефектность кристаллической структуры и поверхностные свойства сферического графита, природу и концентрацию модификатора. Известную проблему оксидов переходных металлов при использовании в качестве анодных материалов ЛИА – значительное объемное расширение при разряде и, как следствие, падение кулоновской эффективности, предлагается решать за счет снижения размеров частиц до наноразмерных значений (порядка 30 - 50 нм). Также предварительная окислительная модификация графита обеспечит образование плотной оксидной пленки из кислородсодержащих функциональных групп, которые могут послужить «клеем» для наночастиц оксидов и предотвратить их откалывание с поверхности графита в процессе работы анодного материала. Таким образом, введение прочносцепленных, плотных оксидных пленок переходных металлов, состоящих их наноразмерных частиц, позволит повысить энергетические характеристики сферического графита. В ходе исследований будут сформулированы идеи и подходы к получению модифицирующих покрытий на сферическом графите, направленных на увеличение емкости, эффективности работы и стабильности анодного материала ЛИА. Также будут впервые получены композиты типа «сферический графит – MexOy», где Me = Fe, Sn. Предполагается получение композитов с содержанием оксидов от 1 до 10 масс%.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. И.В. Братков, А.Д. Иванов, А.Д. Колчин, И.А. Савицкий, Н.Н. Смирнов ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ В УДАРНО-ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ МЕЛЬНИЦЕ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ ПРИРОДНОГО ГРАФИТА Изв. вузов. Химия и хим. технология, Т. 66. Вып. 4 (год публикации - 2023)
10.6060/ivkkt.20236604.6795

2. Братков И.В., Иванов А.Д., Савицкий И.А., Колчин А.Д. Химическая модификация сферического графита с целью повышения кулоновской эффективности в литий-ионных аккумуляторах Институт химии растворов им.Г.А.Крестова РАН, XIV Плёсская международная научная конференция «Современные проблемы теоретической и прикладной электрохимии. Электрохимия в настоящем и будущем», Плес 2023, С.17 (год публикации - 2023)

3. Братков И.В., Иванов А.Д., Савицкий И.А., Колчин А.Д. Исследование процесса получения композицион-ных материалов «сферический графит – оксид железа (III)» Институт химии растворов им.Г.А.Крестова РАН, XIV Плёсская международная научная конферен-ция «Современные проблемы теоретической и прикладной электрохимии. Электрохимия в настоящем и будущем», Плес 2023, С.16 (год публикации - 2023)

4. Братков И.В., Иванов А.Д., Колчин А.Д., Савицкий И.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА «СФЕРИЧЕСКИЙ ГРАФИТ – Fe2O3» Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология», Т. 67. Вып. 3, с.127-134 (год публикации - 2024)
10.6060/ivkkt.20246703.7041

5. Братков И.В., Иванов А.Д., Колчин А.Д., Савицкий И.А. Получение композиционного анодного материала «сферический графит – SnO2 «Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология» (год публикации - 2024)

Публикации