К усовершенствованным слоистым электродным материалам высокой емкости для литий-ионных аккумуляторов через понимание окислительно-восстановительных процессов на атомном уровне.

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 20-43-01012

НазваниеК усовершенствованным слоистым электродным материалам высокой емкости для литий-ионных аккумуляторов через понимание окислительно-восстановительных процессов на атомном уровне.

Руководитель Абакумов Артем Михайлович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №39 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (FWO)

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, катод, анод, анионная редокс-реакция, слоистый оксид, электродный материал, синтез, кристаллическая структура, электрохимия, падение потенциала, гистерезис потенциала, просвечивающая электронная микроскопия

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной задачи создания высокоёмких вторичных электрохимических источников тока следующего поколения с положительными электродами (катодами) на основе Li-обогащённых оксидов переходных металлов, типа Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2 (Li-обогащённые NMC). Обладая существенно более высокими показателями удельной энергоёмкости по сравнению с коммерчески используемыми в настоящее время катодными материалами, Li-обогащённые NMC имеют ряд недостатков (падение рабочего напряжения, гистерезис потенциала, медленную кинетику обратимой интеркаляции лития), что создает препятствия для их практического применения. Для решения этой задачи в данном проекте предлагается комбинированный подход, включающий современные методы препаративной химии, такие как метод соосаждения с компьютерным контролем параметров синтеза и микроволновой гидротермальный синтез, прогрессивные методы характеризации, включающие темнопольную и светлопольную сканирующую просвечивающую микроскопию с коррекцией аберраций, электронную томографию, томографию обратного пространства, в том числе в режиме in situ, резонансное неупругое рентгеновское рассеяние, структурные исследования при помощи синхротронного излучения и нейтронографии, а также компьютерное моделирование в рамках теории функционала плотности. Cинтез и исследование материалов будут интегрированы с детально проработанной программой электрохимических тестов, направленных на количественную оценку эффектов деградации. Прежде всего, будет детально исследован вклад морфологии и микроструктуры в деградацию электрохимических свойств Li-обогащённых катодных материалов, для того чтобы отделить этот вклад от влияния факторов, связанных с эволюцией кристаллической структуры. После этого путём создания модельных систем будут изучены эффекты, связанные с падением потенциала и ростом гистерезиса при гальваностатическом циклировании, а также их связь с миграцией катионов переходных металлов и окислением кислородной анионной подрешётки с образованием “пероксогрупп”. Последнему будет уделено особое внимание, так как окислительно-восстановительные процессы на анионах отвечают за дополнительную ёмкость, обеспечиваемую Li-обогащёнными катодными материалами, однако механизм их окисления остается не полностью изученным. Благодаря более полному пониманию механизмов окисления как анионов, так и катионов переходных металлов, а также сопутствующих процессов перестройки структуры, будут разработаны новые Li-обогащённые химические соединения, в меньшей степени подверженные деградации электрохимических характеристик при циклировании. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, помимо практической значимости, будут обладать фундаментальной ценностью и новизной, проливая свет на связанные друг с другом механизмы миграции катионов переходных металлов и частичного окисления анионов и пределы обратимости структурных превращений при электрохимической (де)интеркаляции лития. С практической точки зрения, проект должен открыть новые возможности для конструирования передовых высокоемких электродных материалов и аккумуляторов с повышенной энергоёмкостью на их основе. Проект будет выполняться в рамках научного сотрудничества между Сколковским институтом науки и технологий (Сколтех, Центр энергетических технологий (CEST)) и Университетом Антверпена (Центр электронной микроскопии (EMAT)). Два коллектива имеют многолетний опыт сотрудничества и будут выполнять взаимодополняющие функции в проекте. Сколтех имеет обширные компетенции в области синтеза электродных материалов, электрохимии, дизайна аккумуляторных ячеек, кристаллографии и вычислительных методов, тогда как Университет Антверпена обладает уникальным опытом и оборудованием в области просвечивающей электронной микроскопии материалов, в первую очередь для извлечения количественной информации об атомной структуре вещества, электронной структуре и типах химического взаимодействия. Взаимодействие двух научных коллективов даст существенный синергетический эффект и приведет к новому уровню понимания процессов обратимой интеркаляции лития в высокоемких слоистых сложных оксидах переходных металлов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Вей Инь, Алексис Гримо, Гвенаэль Рус, Артем М. Абакумов, Анатолий Сенишин, Лейтинг Чжан, Сигита Трабезингер, Антонелла Ядекола, Доминик Фуа, Домитиль Джом, Жан-Мари Тараскон Structural evolution at the oxidative and reductive limits in the first electrochemical cycle of Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2 NATURE COMMUNICATIONS, Nat Commun 11, 1252 (2020). (год публикации - 2020)
10.1038/s41467-020-14927-4

2. Артем М. Абакумов, Станислав С. Федотов, Евгений В. Антипов, Жан-Мари Тараскон Solid state chemistry for developing better metal-ion batteries NATURE COMMUNICATIONS, Nat Commun 11, 4976 (2020) (год публикации - 2020)
10.1038/s41467-020-18736-7

3. Андрей Шевцов, Хайсян Хан, Анатолий Морозов, Джесси К. Карозза, Александра А. Савина, Ярослава Шахова, Нелли Р. Хасанова, Евгений В. Антипов, Евгений В. Дикарев, Артем М. Абакумов Protective Spinel Coating for Li1.17Ni0.17Mn0.50Co0.17O2 Cathode for Li-Ion Batteries through Single-Source Precursor Approach NANOMATERIALS, Nanomaterials 10, 1870, (2020) (год публикации - 2020)
10.3390/nano10091870

4. Б. Ли, М. Сурати, Г. Русе, А.В. Морозов, Р. Дедривер, А. Ядекола, А. Сенишин, Л. Чжан, А. Абакумов, М.-Л. Дублет, Ж.-М. Тараскон Correlating ligand-to-metal charge transfer with voltage hysteresis in a Li-rich rock-salt compound exhibiting anionic redox Nature Chemistry, vol.13, p. 1070–1080 (год публикации - 2021)
10.1038/s41557-021-00775-2

5. К. Ван, С. Мариаппан, Г. Русе, А.В. Морозов, Б. Поршерон, Р. Дедривер, Дж. Ву, В. Ян, Л. Чжан, М. Чакир, М. Авдеев, М. Дешам, Ю.-С. Ю., Дж. Кабана, М.-Л. Дублет, А. Абакумов, Ж.-М. Тараскон Unlocking anionic redox activity in O3-type sodium 3d layered oxides via Li substitution Nature Materials, Vol. 20, p. 353–361 (год публикации - 2021)
10.1038/s41563-020-00870-8

6. А.М. Абакумов, Ч. Ли, А. Боев, Д.А. Аксенов, А.А. Савина, Т.А. Абакумова, Г. Ван Тендело, С. Балс Grain boundaries as a diffusion-limiting factor in Li-rich NMC cathodes for high energy Li-ion batteries ACS Appl. Energy Mater., 4, 7, 6777–6786 (год публикации - 2021)
10.1021/acsaem.1c00872

7. Савина А.А., Саютина В.В., Морозов А.В., Боев А.О., Аксенов Д.А., Дежуа К., Батук М., Балс С., Хадерман Й., Абакумов А.М. Chemistry, Local Molybdenum Clustering, and Electrochemistry in the Li2+xMo1−xO3 Solid Solutions Inorganic Chemistry, 61, 14, 5637–5652 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.inorgchem.2c00420

8. Морозов А.В., Моисеев И.А., Савина А.А., Боев А.О., Аксенов Д.А., Чжан Л., Морозова П.А., Никитина В.А., Пажетнов Е.М., Берг Э.Д., Федотов С.С., Тараскон Ж.-М., Антипов Е.В. Абакумов А.М. Retardation of Structure Densification by Increasing Covalency in Li- Rich Layered Oxide Positive Electrodes for Li-Ion Batteries Chemistry of materials, 34, 15, 6779–6791 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.chemmater.2c00921

Публикации