Перспективные материалы для электрохимических накопителей энергии нового поколения

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 17-73-30006

НазваниеПерспективные материалы для электрохимических накопителей энергии нового поколения

Руководитель Антипов Евгений Викторович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №25 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» 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 Натрий-ионный аккумулятор, калий-ионный аккумулятор, проточный редокс-аккумулятор, электрохимический источник энергии, электромобиль, электростанция, катодный материал, анодный материал, мембрана, полимерный электролит

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью настоящего проекта является создание научно-технологического задела для развития отечественных «пост-литий-ионных» технологий электрохимического хранения энергии. В качестве перспективной альтернативы литий-ионным вторичным источникам тока в крупногабаритных накопителях (от нескольких десятков кВт•ч) рассматриваются недорогие, надежные и безопасные натрий-ионные (НИА), калий-ионные (КИА) и редокс-проточные (РОА) аккумуляторы. Значительное снижение стоимости аккумуляторов при сохранении достаточно высоких функциональных характеристик позволит осуществить внедрение экологически чистого электротранспорта в крупных российских городах, повысить экономическую привлекательность «малой» электрогенерации, основанной на использовании возобновляемых источников энергии, увеличить эффективность «крупной» электрогенерации и создать возможности для развития распределенных интеллектуальных энергосетей. Разработка эффективных НИА, КИА и РОА невозможна без прогресса в области создания и совершенствования материалов, обеспечивающих достижение коммерчески привлекательных показателей удельной энергии и других характеристик (цена, срок службы, безопасность). В первую очередь речь идет о материалах анода, катода и электролита/сепаратора. Кроме того, требуется дальнейшее развитие и модернизация архитектуры накопителей энергии, исследование и оптимизация протекающих в них процессов, что напрямую связано с рядом химических и физико-химических проблем, по итогам решения которых будут получены фундаментальные и прикладные результаты, составляющие фундамент технологии натрий-ионных, калий-ионных и редокс аккумуляторов. Для достижения поставленной цели в рамках проекта будут решены следующие задачи: 1) Разработка и изучение катодных материалов НИА и КИА. Материалы должны демонстрировать достаточно высокий уровень удельной энергоемкости (~400 Вт•ч/кг и более), высокую циклическую устойчивость (от 1000 циклов заряда-разряда до потери 20% емкости), работоспособность при низких температурах (сохранение не менее 50% емкости при заряде/разряде при –20оС). 2) Разработка и изучение анодных материалов НИА и КИА. Рабочие потенциалы и удельные емкости этих материалов должны обеспечивать суммарную энергоемкость пары «анод-катод» ~300 Вт•ч/кг и более. Материалы должны соответствовать тем же требованиям по циклической устойчивости и работоспособности при низких температурах, в т.ч. гарантировать отсутствие осаждения металлов (Na, K) на аноде при заряде. 3) Поиск и оптимизация эффективных методов синтеза электродных материалов, обеспечивающих высокую степень контроля над микроструктурой, химическим и фазовым составом с возможностью последующего масштабирования. 4) Создание нового поколения мембран, сепараторов, а также твердых и гель-полимерных электролитов для НИА, КИА и редокс-аккумуляторов, обладающих высокой проводимостью, селективностью, широким окном потенциалов и устойчивостью к деградации, способностью предотвращать растворение катионов переходных металлов на катодах и дендритообразование – на анодах НИА и КИА, низким уровнем кроссовера – для редокс-аккумуляторов. 5) Подготовка и разработка пилотной технологической цепочки для создания прототипов НИА и КИА, а также редокс-аккумуляторов на основе новых материалов. Работа по проекту будет включать следующие основные части: 1) Синтез наиболее перспективных катодных и анодных материалов в т.ч. гидро- или сольвотермальными методами. Основные объекты исследования – оксиды, оксогалогениды и полианионные соединения (фосфаты, фторидофосфаты, сульфаты), углеродные материалы. 2) Изучение фазового состава, кристаллической структуры, морфологии и химической гомогенности полученных образцов методами порошковой рентгеновской (синхротронной) дифракции (ПРД), сканирующей и просвечивающей электронной микроскопией в т.ч. с использованием методик электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) и темнопольного и светлопольного изображений сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в рассеянных электронах (HAADF-STEM и ABF-STEM), локального рентгеноспектрального анализа и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EDX, EELS). мессбауэровской спектроскопии. 3) Определение электрохимических характеристик образцов (зарядная/разрядная емкость и кулоновская эффективность, рабочие потенциалы, стабильность циклирования, доля сохраняемой емкости при заряде/разряде на высоких плотностях тока, коэффициенты диффузии, сопротивление переноса заряда) с помощью гальваностатических, потенциостатических, потенциодинамических методов и спектроскопии импеданса. 4) Изучение фазовых трансформаций (рентгеновская и синхротронная порошковая дифракция), изменения валентных состояний катионов и их локального окружения (мессбауэровская и рентгеновская абсорбционная спектроскопии), происходящих в процессе (де)интеркаляции катионов щелочных металлов, в режимах operando, in situ 5) Исследование и оптимизация кинетики ионного и электронного переноса на электродах НИА и КИА. 6) Длительное (от 1 мес.) и многократное (от 100 циклов) электрохимическое циклирование «полу»- и «полных» ячеек с разными скоростями заряда-разряда; определение основных параметров катодного и анодного материала, влияющих на деградацию. 7) Изготовление и циклирование прототипов НИА и КИА аккумуляторов на основе наиболее привлекательных анодных и катодных материалов, а также электролитов, отобранных по результатам выполнения предыдущих пунктов. Разработка и испытания прототипов ванадиевых редокс-аккумуляторов, определение их характеристик. В настоящем проекте планируется создать ряд новых перспективных анодных и катодных материалов и гель-полимерных электролитов для НИА и КИА. Систематически изучить зависимость электрохимических свойств и механизмов электрохимических процессов от природы материала, его состава, структуры и морфологии, разработать новые мембранные материалы для проточных аккумуляторов и на основе этих разработок изготовить прототипы соответствующих устройств. В результате реализации проекта будет создан задел для организации в РФ производства металл-ионных аккумуляторов на основе натрия и калия с улучшенными функциональными характеристиками и конкурентной стоимостью. Для демонстрации возможности разработки таких устройств по результатам проекта планируется создать прототипы НИА и КИА емкостью от 10 А•ч (удельная энергоемкость не менее 100 Вт•ч/кг) и прототипы редокс-аккумуляторов мощностью 0.1-0.5 кВт.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Терещенко И.В., Аксенов Д.А., Дрожжин О.А., Пресняков И.А., Соболев А.В., Жугаевич А., Стрюков Д., Стевенсон К.Д., Антипов Е., Абакумов А.М. The Role of Semilabile Oxygen Atoms for Intercalation Chemistry of the Metal-Ion Battery Polyanion Cathodes Journal of the American Chemichal Society, 140 (11), pp 3994–4003 (год публикации - 2018)
10.1021/jacs.7b12644

2. Захаркин М.В., Дрожжин О.А., Терещенко И.В., Чернышов Д., Абакумов А.М., Антипов Е.В., Стевенсон К.Д. Enhancing Na+ Extraction Limit through High Voltage Activation of the NASICON-Type Na4MnV(PO4)3 Cathode ACS Applied Energy Materials, 1 (11), pp 5842–5846 (год публикации - 2018)
10.1021/acsaem.8b01269

3. Шариков Ф.Ю., Дрожжин О.А., Суманов В.Д., Баранов А.Н., Абакумов А.М., Антипов Е.В. Exploring the Peculiarities of LiFePO4 Hydrothermal Synthesis Using In Situ Calvet Calorimetry Crystal Growth & Design, 18 (2), pp 879–882 (год публикации - 2018)
10.1021/acs.cgd.7b01366

4. Дрожжин О.А., Шевченко В.А., Захаркин М.В., Гамзюков П.И., Яшина Л.В., Абакумов А.М., Стевенсон К.Д., Антипов Е.В. Improving salt-to-solvent ratio to enable high-voltage electrolyte stability for advanced Li-ion batteries ELECTROCHIMICA ACTA, 263, pp. 127-133 (год публикации - 2018)
10.1016/j.electacta.2018.01.037

5. Соболев А.В., Акуленко А.А., Глазкова Я.С., Белик А.А., Фурубаяши Т., Шиванская Л.В., Димитрова О.В., Пресняков И.А. Magnetic Hyperfine Interactions in the Mixed-Valence Compound Fe7(PO4)6 from Mössbauer Experiments Journal of Physical Chemistry C, 122 (34), pp 19767–19776 (год публикации - 2018)
10.1021/acs.jpcc.8b05516

6. Богомолова О.Е., Сергеев В.Г. Acid Doping of Phenyl-Capped Aniline Dimer: Intermolecular Polaron Formation Mechanism and Its Applicability to Polyaniline Journal of Physical Chemistry A, 122 (2), pp 461–469 (год публикации - 2018)
10.1021/acs.jpca.7b09851

7. Кубарьков А.В., Липовских С.А., Пушкина О.А., Карпушкин Е.А., Стевенсон К.Д, Сергеев В.Г. Preparation and morphology characterization of core-shell water-dispersible polystyrene/poly(3,4-ethylenedioxythiophene) microparticles COLLOID AND POLYMER SCIENCE, 296 (4), pp. 737–744 (год публикации - 2018)
10.1007/s00396-018-4294-y

8. Антипов Е.В., Абакумов А.М., Дрожжин О.А., Погожев Д.В. Литий-ионные электрохимические накопители энергии: современное состояние, проблемы и перспективы развития производства в Российской Федерации Теплоэнергетика, N4, c.1-7 (год публикации - 2019)
10.1134/S0040363619040015

9. Де Слоовер Д., Сафари М., Элен К., Даен Я., Дрожжин О.А., Абакумов А.М., Сименас М., Баныс Ю.,Бекаерт Й.,Партоенс Б., Ван Баел М.К., Харди А. Reduced Na2+xTi4O9/C Composite: A Durable Anode for Sodium-Ion Batteries Chemistry of Materials, 30 (23), pp 8521–8527 (год публикации - 2018)
10.1021/acs.chemmater.8b03301

10. Федотов С.С., Самарин С.Ш., Никитина В.А., Стевенсон К.Д., Абакумов А.М., Антипов Е.В. α‑VPO4: A Novel Many Monovalent Ion Intercalation Anode Material for Metal-Ion Batteries ACS applied materials & interfaces, 11, 13, 12431-12440 (год публикации - 2019)
10.1021/acsami.8b21272

11. Кубарьков А.В., Дрожжин О.А., Карпушкин Е.А., Стевенсон К.Д., Антипов Е.В., Сергеев В.Г. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonic acid)–polymer composites as functional cathode binders for high power LiFePO4 batteries COLLOID AND POLYMER SCIENCE, Volume 297, Issue 3, pp 475–484 (год публикации - 2019)
10.1007/s00396-018-04468-0)

12. Федотов С.С., Аксенов Д.А., Самарин А.Ш., Каракулина О.М., Хадерманн Д., Стевенсон К.Д., Абакумов А.М., Антипов Е.В. Tuning the Crystal Structure of A2CoPO4F (A = Li, Na) Fluoride-Phosphates: A New Layered Polymorph of LiNaCoPO4F EUROPEAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY, Volume 2019, Issue 39-40 (год публикации - 2019)
10.1002/ejic.201900660

13. Дрожжин О.А., Тертов И.В., Алексеева А.М., Аксенов Д.А., Стевенсон К.Д., Абакумов А.М., Антипов Е.В. Beta-NaVP2O7 as a Superior Electrode Material for Na-Ion Batteries CHEMISTRY OF MATERIALS, 31, 7463−7469 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.chemmater.9b02124

14. Ярчук А.Р., Никитина В.А., Карпушкин Е.А., Сергеев В.Г., Антипов Е.В., Стевенсон К.Д., Абакумов А.М. Influence of Carbon Coating on Intercalation Kinetics and Transport Properties of LiFePO4 CHEMELECTROCHEM, Volume 6, Issue19 (год публикации - 2019)
10.1002/celc.201901219

15. О.В.Лончакова, О.А.Семенихин, М.В.Захаркин Е.А.Карпушкин, В.Г.Сергеев, Е.В.Антипов Efficient gel-polymer electrolyte for sodium-ion batteries based on poly(acrylonitrile-co-methyl acrylate) Electrochimica Acta, Volume 334, Article number 135512 (год публикации - 2020)
10.1016/j.electacta.2019.135512

16. Максим В. Захаркин, Олег А. Дрожжин, Сергей В. Рязанцев, Дмитрий Чернышов, Мария А. Кирсанова, Иван В. Михеев, Егор М. Пажетнов, Евгений В. Антипов, Кейт Стивенсон Electrochemical properties and evolution of the phase transformation behavior in the NASICON-type Na3+xMnxV2-x(PO4)3 (0≤x≤1) cathodes for Na-ion batteries Journal of Power Sources, Volume 470, 228231 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jpowsour.2020.228231

17. Алексеева Анастасия М., Тертов Илья В., Миронов Андрей В., Михеев Иван В., Дрожжин Олег А., Жарикова Эмилия В., Розова Марина Г., Антипов Евгений В. Exploring Route for Pyrophosphate-based Electrode Materials: Interplay between Synthesis and Structure Zeitschrift fur Anorganische und Allgemeine Chemie, -Volume 646, Issue 14 . -Pages 1260-1266 (год публикации - 2020)
10.1002/zaac.202000066

18. Дрожжин О.А., Соболев А.В., Суманов В.Д., Глазкова Я.С., Аксенов Д.А., Гребенщикова А..Д., Тябликов О.А., Алексеева А.М., Михеев И.В., Довгалюк Ю. Чернышов Д., Стивенсон Кейт Дж., Пресняков И.А., Абакумов А. М., Антипов Е.В. Exploring the Origin of the Superior Electrochemical Performance of Hydrothermally Prepared Li-Rich Lithium Iron Phosphate Li1+dFe1-dPO4 Journal of Physical Chemistry C, -Vol. 124, Issue 1. - P. 126-134 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpcc.9b09594

19. Дрожжин О.А., Григорьев В.В., Алексеева А.М., Рязанцев С.В., Тябликов О.А., Чернышов Д., Абакумов А.М., Антипов Е.В. Phase Transformations and Charge Ordering during Li+ Intercalation into Hollandite-Type TiO2 Studied by Operando Synchrotron X-ray Powder Diffraction European Journal of Inorganic Chemistry, Volume 2020, Issue 9, Pages 743-748 (год публикации - 2020)
10.1002/ejic.201901153

20. Анищенко Д.В., Захаркин М.В., Никитина В.А., Стивенсон Кейт Дж., Антипов Е.В. Phase boundary propagation kinetics predominately limit the rate capability of NASICON-type Na3+xMnxV2-x(PO4)3 (0≤x≤1) materials Electrochimica Acta, Volume 354, Article number 136761 (год публикации - 2020)
10.1016/j.electacta.2020.136761

21. Терещенко И.В., Аксенов Д.А., Жугаевич А., Антипов Е.В., Абакумов А. М. Reversible electrochemical potassium deintercalation from >4 V positive electrode material K6(VO)2(V2O3)2(PO4)4(P2O7) Solid State Ionics, Volume 357, 115468 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ssi.2020.115468

22. Бобылева З.В., Дрожжин О.А., Досаев К.А., Камияма Азуса, Рязанцев С.В., Комаба Шиничи, Антипов Евгений В. Unveiling pseudocapacitive behavior of hard carbon anode materials for sodium-ion batteries Electrochimica Acta, Volume 354, Article number 136647 (год публикации - 2020)
10.1016/j.electacta.2020.136647

23. Суджой Саха, Гвенаэль Рус, Матье Курти, Ярослава Шахова, Мария Кирсанова, Франсуа Фаут, Владимир Помякушин, Артем М. Абакумов, Дж. М. Тараскон Structural Polymorphism in Na4Zn(PO4)2 Driven by Rotational Order−Disorder Transitions and the Impact of Heterovalent Substitutions on Na-Ion Conductivity Inorganic Chemistry, -Vol. 59, Issue 9. -P. 6528-6540 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.inorgchem.0c00612

24. Хайсян Хан, Джесси К. Карозза, Чжэн Чжоу, Юйсюань Чжан, Чжэн Вэй, Артем М. Абакумов, Александр С. Филатов, Ю-Шэн Чен, Даниэль Дж. Санта-Люсия, Джон Ф. Берри и Евгений В. Дикарев Heterotrimetallic Precursor with 2:2:1 Metal Ratio Requires at Least a Pentanuclear Molecular Assembly Journal of the American Chemical Society, Volume 142, Issue 29, Pages 12767-12776 (год публикации - 2020)
10.1021/jacs.0c05139

25. Каторова Н.С., Лучкин С.Ю., Рупасов Д.П., Абакумов А.М., Стивенсон К.Д.) Origins of irreversible capacity loss in hard carbon negative electrodes for potassiumion batteries JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, -Vol. 152, Issue19. (год публикации - 2020)
10.1063/5.0003257

26. В.А. Никитина, С.М. Кузовчиков, С.С. Федотов, Н.Р. Хасанова, А.М. Абакумов, Е.В. Антипов Effect of the electrode/electrolyte interface structure on the potassium-ion diffusional and charge transfer rates: towards a high voltage potassium-ion battery Electrochimica Acta (год публикации - 2017)
10.1016/j.electacta.2017.11.131

27. О.А. Дрожжин, И.В. Терещенко, Х. Эмерих, Е.В. Антипов, А.М. Абакумов, Д. Чернышов Electrochemical cell with sapphire windows for operando synchrotron X-ray powder diffraction and spectroscopy studies of high-power and high-voltage electrodes for metal-ion batteries Journal of Synchrotron Radiation (год публикации - 2018)

Публикации