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 16-13-00024

НазваниеФункциональные электродные материалы для натрий-ионного аккумулятора

РуководительКулова 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

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).

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

Ключевые слованатрий-ионный аккумулятор, активные функциональные материалы, электроды, феррофосфат натрия, фосфат натрия-ванадия со структурой NASICON, титанат натрия, легирование

Код ГРНТИ31.15.33


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на создание активных функциональных материалов (анодных и катодных) для натрий-ионного аккумулятора. Многие исследователи считают, что на смену литий-ионным аккумуляторам (являющимся основой современной портативной электронной техники) по крайней мере для ряда приложений придут натрий-ионные аккумуляторы, которые, в частности, смогут обеспечить автономное энергоснабжение крупных установок и интеллектуальных электросетей. На пути создания эффективных натрий-ионных аккумуляторов предстоит решить несколько принципиальных проблем, главная из которых – синтез активных электродных материалов, обеспечивающих длительное циклирование аккумуляторов с приемлемыми значениями энергоёмкости. В то же время имеющиеся литературные данные по этой проблеме явно недостаточны и далеко не всегда однозначны. В подавляющем большинстве случаев полученные материалы имеют достаточно низкую емкость (не более 50 % от теоретической) и циклируемость (менее 50 циклов). Кроме того, практически нет данных по зависимости разрядной емкости от плотности тока. В ходе выполнения проекта предполагается разработать и оптимизировать методики синтеза феррофосфата натрия и его нанокомпозита с углеродом, а также легированного феррофосфата натрия (NaFe1-xMnxPO4 и NaFe1-xVxPO4) в широком диапазоне показателя х и соответствующих нанокомпозитов с углеродом. Данные материалы имеют теоретическую емкость около 154 мАч/г, что не сильно уступает теоретической емкости литий железо фосфата. Синтез этих материалов в наноструктурированной форме позволит использовать их при повышенных плотностях тока (до 10 С). Предполагается синтезировать перхлорат натрия и гексафторфосфат натрия и определить пределы устойчивости различных электролитов на основе синтезированных солей и органических растворителей. Предполагается провести аттестацию фазового состава и параметров кристаллической решетки, химического состава, морфологии и проводимости синтезированных нанокомпозитов. Предполагается разработать (или адаптировать) методику изготовления положительных электродов с использованием синтезированных нанокомпозитов в качестве активных функциональных материалов и провести исследования электрохимического поведения этих электродов в электролитах различного состава. При проведении электрохимических исследований планируется определить необратимую ёмкость синтезированных материалов и её зависимость от природы электролита и сделать выводы о природе необратимой ёмкости. Предполагается также разработать и оптимизировать метод синтеза нанотитаната натрия (Na2Ti3O7) и его нанокомпозита с углеродом в качестве активного материала отрицательного электрода; провести аттестацию кристаллической и фазовой структуры, химического состава, морфологии и проводимости синтезированного нанокомпозита; разработать методику изготовления отрицательных электродов с использованием синтезированного нанокомпозита в качестве активного функционального материала и провести исследования электрохимического поведения этих электродов в разных электролитах, а также определить необратимую ёмкость синтезированного материала и сделать выводы о природе необратимой ёмкости. На заключительном этапе работы по проекту предполагается разработать метод синтеза электролитов на основе мембран Nafion в натриевой форме, содержащих интеркалированный апротонный растворитель, провести измерения проводимости таких электролитов, а также изготовить и протестировать лабораторные макеты натрий-ионного аккумулятора с жидким и полимерным электролитом в диапазоне токовых нагрузок от С/10 до 20 С и в интервале температур от −40 до +50 оС.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения работ по проекту будут разработаны лабораторные методы синтеза феррофосфата натрия и его нанокомпозитов с углеродом, а также методы синтеза легированного феррофосфата натрия (NaFe1-xMnxPO4 и NaFe1-xVxPO4) в широком диапазоне показателя х и соответствующих нанокомпозитов с углеродом. Будет проведена аттестация фазового состава и параметров кристаллической решетки, химического состава, морфологии и проводимости синтезированных нанокомпозитов. Будет разработана методика изготовления положительных электродов с использованием синтезированных нанокомпозитов в качестве активного функционального материала. Будут проведены исследования электрохимического поведения электродов с композитами феррофосфата натрия и легированного феррофосфата натрия в разных жидких электролитах Будет определена необратимая ёмкость синтезированных материалов; будет сделан вывод о природе необратимой ёмкости. Будет разработан и оптимизирован лабораторный метод синтеза нанотитаната натрия (Na2Ti3O7) и его нанокомпозита с углеродом. Будет проведена аттестация кристаллической и фазовой структуры, химического состава, морфологии и проводимости синтезированного нанокомпозита. Будет адаптирована методика изготовления отрицательных электродов с использованием синтезированного нанокомпозита в качестве активного функционального материала. Будут проведены исследования электрохимического поведения этих электродов в разных электролитах. Будет определена необратимая ёмкость композита нанотитаната натрия; будут сделаны выводы о природе необратимой ёмкости. Будет разработан метод синтеза электролитов на основе мембран Nafion в натриевой форме, содержащих интеркалированный апротонный растворитель и измерена его проводимость. Будут изготовлены и протестировать лабораторные макеты натрий-ионного аккумулятора с жидким и полимерным электролитом.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Разработан и оптимизирован метод синтеза феррофосфата натрия (NaFePO4) и его нанокомпозитов с углеродом. Оптимальным методом синтеза NaFePO4 со структурой маричита (m-NFP) и его композита с углеродом (m-NFP@C) является золь-гель метод Печини с последующей механохимической обработкой в планетарной мельнице. При плотности тока 15 мА/г (~0.1 C) разрядная ёмкость составила ~150 мАч/г, со средним разрядным потенциалом около 2.5 В отн. Na+/Na. Проведена аттестация фазового состава, параметров кристаллической решетки, химического состава, морфологии и проводимости синтезированных нанокомпозитов. Установлено, что образцы m-NFP являлись однофазными, кристаллическая фаза соответствовала структуре маричита, пространственная группа Pnma. По результатам масс-спектрометрического анализа с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS), синтезированные образцы соответствовали формуле NaFePO4. Метод осаждения из DMSO привёл к образованию вытянутых нанопластинок преимущественно 1-2 мкм в длину и 20-30 нм в толщину. Метод Печини привёл к образованию агломерированных частиц размерами 20-30 нм. Фосфат натрия-железа, полученный твердофазным методом, состоял из агломерированных частиц размерами 50-200 нм. Массовое содержание углерода в полученном композите NFP-DMSO@C составило 7.1%. Массовое содержание углерода в полученном композите NFP-PE@C составило 33.0%. Установлено, помол приводит к увеличению степени дефектности m-NFP и уменьшению размера частиц. Был разработан и оптимизирован метод синтеза фоновых солей для электролита – перхлората натрия и гексафторфосфата натрия, а также исследованы пределы устойчивости электролитов различного состава на основе синтезированных солей и органических растворителей. Электрохимическая стабильность электролитов определялась возможностью протекания следующих процессов: окисление компонентов электролита при повышенных анодных потенциалах с образованием продуктов, не пассивирующих поверхность электрода; коррозия материала положительного электрода; восстановление компонентов электролита при потенциалах, близких к потенциалу системы Na+/Na; внедрение натрия в материал токоотвода отрицательного электрода. Были исследованы следующие электролиты: 1) 1 M NaPF6 в смеси ЭК-ДМК-ПК (1:1:1); 2) 1 M NaPF6 в смеси ЭК-ДМК-ДЭК (1:1:1);; 3) 1 M NaClO4 в смеси ЭК-ДМК-ПК (1:1:1); 4) 1M LiPF6 в смеси ЭК-ДМК-ДЭК (1:1:1); 5) 1М NaPF6 в смеси ЭК-ПК (1:1); 1М NaClO4 в смеси ЭК-ПК(1:1). Все электролиты содержали растворители в эквиобъемном соотношении. Пределы электрохимической устойчивости электролитов были определенны с помощью метода циклической вольтамперометрии, в области потенциалов от 10 мВ до 5.5 В относительно натриевого электрода сравнения. Было установлено, что при первой анодной поляризации в электролитах на поверхности алюминия образуется надёжная пассивная плёнка, препятствующая дальнейшему окислению и восстановлению электролита. Кроме того, в натрийсодержащих электролитах не наблюдается никаких катодных пиков, связанных с внедрением натрия в материал электрода. Циклические вольтамперограммы 1 М NaClO4 в смеси ЭК и ПК и 1 М NaPF6 в смеси ЭК и ПК, показали, что более стабильным электролитом в анодной области потенциалов является электролит состава 1 М LiPF6 в смеси ЭК- ПК (1:1), в то же время более стабильным электролитом в катодной области потенциалов является М LiClO4 в смеси ЭК- ПК (1:1). Таким образом, было показано, что электролиты состава 1 М 1 М NaPF6 в смеси ЭК- ПК (1:1) и 1 М NaClO4 в смеси ЭК- ПК (1:1) электрохимически устойчивы в области потенциалов от 0.01 до 5.5 В отн. натриевого электрода сравнения и, следовательно, могут быть использованы для тестирования натрийсодержащих интеркаляционных материалов. Была разработана методика изготовления положительных электродов с использованием синтезированных нанокомпозитов в качестве активного функционального материала. Было установлено, что анодная устойчивость алюминия в обоих натриевых электролитах (на основе NaPF6 и NaClO4) оказалась примерно одинаковой, т.е. пассивная плёнка, образовавшаяся при первой анодной поляризации, предотвращает последующее окисление электролита, что позволяет использовать алюминий в качестве подложки, как для положительного, так и для отрицательного электрода натрий-ионного аккумулятора. Учитывая, что плотность алюминия более чем в 3 раза меньше плотности меди (традиционного материала подложки для отрицательного электрода лития-ионного аккумулятора), следует ожидать, что удельная практическая емкость натрий-ионного аккумулятора будет соизмерима с практической удельной емкостью литий-ионного аккумулятора, несмотря на тот факт, что по теоретической удельной емкости натрийсодержащие функциональные материалы проигрывают литийсодержащим функциональным материалам. Кроме того, использование одного и того же материала для токоотводов разноименных электродов представляет определённые технологические преимущества. Методика изготовления электродов для литий-ионного аккумулятора была адаптирована для изготовления электродов для натрий-ионного аккумулятора. Эта методика включала: изготовление активной массы (85% активного вещества, 10 % сажи (электропроводящая добавка) и 5% связующего (поливинилиденфторид)), гомогенизация активной массы, обезжиривание алюминиевой подложки, нанесение активной массы на подложку, сушка электродов при температуре 80 оС в течение 5 часов, прессование электродов давлением 500 кг/см2, сушка электродов под вакуумом в течение 24 часов. Были проведены исследования электрохимического поведения этих электродов в разных электролитах; определить оптимальный электролит. Исследования показали, что в перхлоратном электролите разрядная емкость оказывается почти в 2 раза ниже разрядной емкости, полученной в гексафторфосфатном электролите. В то же время деградация при циклировании оказалась заметно ниже для электролита с фоновой солью на основе NaClO4. Так, разрядная емкость на первом цикле для NaFePO4, синтезированного твердофазным методом, составила 77 и 38 мАч/г для электролитов на основе NaPF6 и NaClO4, соответственно. В то же время деградация при циклировании для перхлоратного электролита составила не более 1.1 % а цикл, против 3.7 % за цикл для гексафторфосфатного электролита. Аналогичные результаты были получены для феррофосфата натрия, синтезированного другими методами. Феррофосфат натрия, полученный методом Печини с последующей механохимической обработкой, показал разрядную емкость около 150 мАч/г, что близко к теоретической емкости. При увеличении плотности тока было зарегистрировано закономерное падение емкости, однако даже при плотности тока 1200 мА/г, что соответствовало режиму 8С, разрядная емкость составляла около 50 мАч/г. Для увеличения стабильности при циклировании феррофофсфата натрия был протестирован в электролите состава 1 M NaPF6 в смеси ЭК-ПК-ФЭО (5:4.5:1). Было установлено, что введение ФЭО приводит к увеличению стабильности при циклировании. Деградация при циклировании не превышает 0.22 % а цикл. Для феррофосфата натрия, синтезированного методом Печини, был оценен эффективный коэффициент диффузии ионов натрия. Эффективный коэффициент диффузии ионов натрия, рассчитанный по формуле Рейндлса-Шевчика составил 10-14 см2/с. Были определены обратимая и необратимая ёмкости синтезированных материалов и сделаны выводы о природе необратимой ёмкости. Было установлено влияние материала подложки на необратимую емкость электродов на основе феррофосфата натрия: при использовании в качестве подложки нержавеющей стали, необратимая емкость первого цикла составляла более 200 % от обратимой емкости. В случае использования алюминиевой подложки необратимая емкость на первом цикле составила около 11 % и постепенно уменьшалась при циклировании. Для феррофосфата натрия, синтезированного с последующей механохимической обработкой, было зарегистрировано необычное электрохимическое поведение - анодная емкость оказалась меньше, чем катодная и, по сути, было зарегистрировано полное отсутствие необратимой емкости. Более детальное изучение данного явления показало, что этот артефакт связан с частичным окислением двухвалентного железа до трехвалентного при механохимической обработке и последующим его восстановлением при первой катодной поляризации. Необратимая емкость на втором и последующих циклах была равна нулю. Следует отметить, что данное явление было зарегистрировано для феррофосфата натрия синтезированного как методом Печини, так и твердофазным методом. С помощью гидротермального, золь-гель и твердофзного метода был синтезирован титанат натрия (Na2Ti3O7) для отрицательного электрода натрий-ионного аккумулятора. Была определена причина необратимой емкости электродов на основе феррофосфата натрия и титаната натрия. С помощью метода инфракрасной спектроскопии было установлено, что при первой катодной поляризации на титанате натрия формируется пассивная пленка, основными компонентом которой является карбонат натрия и органические соли натрия.

 

Публикации

1. Стенина И.А., Козина Л.Д., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Чеканников А.А., Ярославцев А.Б. Synthesis and Ionic Conduction of Sodium Titanate Na2Ti3O7 Russian Journal of Inorganic Chemistry, Vol. 61, No. 10, pp. 1235–1240 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S003602361610020X

2. Кулова Т.Л., Скундин А.М., Ярославцев А.Б. Натрий-ионные аккумуляторы Russian Journal of Electrochemistry, - (год публикации - 2017)


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Разработаны и оптимизированы методы синтеза феррофосфата натрия, допированного марганцем (NaFe1-xMnxPO4, x=0.25, 0.5, 0.75, 1.0); и ванадием (NaFe1-xVxPO4, x=0.1, 0.3, 0.5, 0.7) и оптимизированы методы синтеза нанокомпозитов таких материалов с углеродом. Так же, как и не допированный феррофосфат натрия, образцы композитов NaFe1-xMnxPO4/С и NaFe1-xVxPO4/С синтезировали методом Печини с последующей механохимической обработкой. При синтезе NaFe1-xVxPO4 исходный FePO4*nH2O готовили микроэмульсионным методом. Было установлено, что прямое внедрение катионов ванадия, степень окисления которых отлична от 2+, в структуру NaFePO4 затруднительна. Поэтому для синтеза NaFe1-xVxPO4 сначала получали допированный катионами ванадия фосфат железа (III), в который затем проводили электрохимическое внедрение натрия. Синтезированы количества указанных материалов, достаточные для проведения физико-химической аттестации материалов, отработки лабораторной методики изготовления положительных электродов и проведения электрохимических измерений. Проведена аттестация кристаллической и фазовой структуры (рентгеноструктурный анализ), химического состава (электронно-дисперсионный микроанализ, спектроскопия комбинационного рассеяния), морфологии (сканирующая электронная микроскопия, метод БЭТ) и проводимости (импедансная спектроскопия) нанокомпозитов допированных образцов феррофосфата натрия с углеродом. Установлено, что все синтезированные образцы NaFe1-xMnxPO4 имеют структуру маричита и являются однофазными, а содержание углерода в композитах NaFe1-xMnxPO4/С составляет около 15%, причём углерод в этом случае рентгеноаморфен. Механохимическая обработка NaFe1-xMnxPO4/С приводила к увеличению площади истинной поверхности примерно втрое. Разработан и оптимизирован метод синтеза нанотитаната натрия (Na2Ti3O7) и его нанокомпозитов с углеродом (Na2Ti3O7@C). Нанотитанат натрия синтезировали твердофазным методом из смеси карбоната натрия и гидратированного диоксида титана (Na2CO3 + 3TiO2 •3H2О), причём была установлена сильная зависимость свойств продукта от температурного режима отжига. Однофазный образец Na2Ti3O7 формируется только при отжиге при температуре не ниже 1173 K в течение 5 часов. Проведена аттестация кристаллической и фазовой структуры (рентгеноструктурный анализ), химического состава (электронно-дисперсионный микроанализ, спектроскопия комбинационного рассеяния), морфологии (сканирующая электронная микроскопия, метод БЭТ) и проводимости (импедансная спектроскопия) нанокомпозитов титаната натрия с углеродом (Na2Ti3O7@C). Усовершенствована лабораторная методика изготовления отрицательных электродов натрий-ионных аккумуляторов с использованием синтезированного нанокомпозита (Na2Ti3O7@C) в качестве функционального материала. В данном случае в качестве электропроводной добавки был использован терморасширенный графит (ТРГ), полученный обработкой графита концентрированной хлорной кислотой с последующим отжигом. По данным сканирующей электронной микроскопии порошок ТРГ состоял из волокнистых частиц со средним диаметром 20 мкм. Использование волокнистого ТРГ взамен сажи позволило втрое снизить содержание электропроводной добавки и увеличить содержание активного компонента до 90%. Кроме того, для нанесения активной массы на подложку был использован автоматический намазчик MTI-MSK-AFA-III, что позволило резко повысить постоянство толщины активной массы и равномерность её распределения по поверхности электрода. Использование ТРГ взамен сажи не привело к ожидаемому увеличению ёмкости за счёт интеркаляции натрия в графит, но заметно повысило стабильность характеристик электрода при циклировании. Исследовано электрохимическое поведение электродов из допированного феррофосфата натрия в процессах внедрения и экстракции ионов натрия; исследования проведены в электролитах, различающихся природой фоновой соли (перхлорат и гексафторфосфат натрия). Оценено влияние степени допирования (индекс х в формулах NaFe1-xMnxPO4 и NaFe1-xVxPO4) на разрядную ёмкость материала, установлена экстремальная зависимость ёмкости от индекса х: максимальная разрядная ёмкость соответствует материалу NaFe0.5Mn0.5PO4. Было установлено также, что механохимическая обработка NaFe1-xMnxPO4 оказывает большее благотворное влияние на ёмкость материала, чем собственно допирование марганцем, причём этот эффект сильно зависит от режима механохимической обработки. На образце NaFe1-xMnxPO4/С, подвергнутом механохимической обработке, достигнута разрядная ёмкость около 140 мАч/г. Частично это увеличение ёмкости связано с вовлечением марганца в редокс-процесс, что было подтверждено результатами циклической вольтамперометрии. Оценены эффективные коэффициенты диффузии натрия в NaFe1-xMnxPO4/С (при х=0 и 0.5), подвергнутых механохимической обработке. Установлено, что допирование марганцем не приводит к существенному увеличению коэффициента диффузии натрия (по порядку D=10-14 см2/с). Исследовано электрохимическое поведение электродов на основе нанокомпозита Na2Ti3O7@C в процессах внедрения и экстракции ионов натрия в трёх различных электролитах ‒ 1 M NaClO4 в эквиобъёмной смеси этиленкарбоната и пропиленкарбоната, 1 M NaPF6 в эквиобъёмной смеси этиленкарбоната и пропиленкарбоната, а также в тех же электролитах с добавками виниленкарбоната. Установлено, что при циклировании электродов с ТРГ в первом из указанных электролитов реализуется заметно более высокая (на 50‒70%) ёмкость, чем в электролите на основе гексафторфосфата. Кроме того, было отмечено, что добавка виниленкарбоната (очень эффективная в литий-ионных аккумуляторах) привела к снижению ёмкости на первом цикле и существенному ускорению деградации при циклировании. Установлено, что повышение содержания углерода в Na2Ti3O7@C приводит к увеличению разрядной емкости на первом цикле до теоретического значения с одновременным повышением деградации при циклировании. При электрохимических исследованиях всех синтезированных материалов количественно определена необратимая ёмкость. Установлено, что величина необратимой емкости Na2Ti3O7@C может доститгать 300% от обратимой в случае повышенного содержания углерода в композите. На основании данных электрохимической импедансной спектроскопии сделан вывод о том, что основным процессом, приводящим к появлению необратимой ёмкости при циклировании отрицательных электродов, является восстановление компонентов электролита. Методом инфракрасной спектроскопии подтверждено, что продуктами восстановления электролита, так же, как и в случае литий-ионных аккумуляторов являются органические и неорганические соли, а также олигомеры. Для снижения необратимой емкости был предложен способ, апробированный для углеродных и кремниевых материалов литий-ионного аккумулятора. Метод заключается в прямом контакте металлического натрия и титаната натрия. В результате такого контакта на поверхности тинатана натрия под действием возникающего тока короткого замыкания протекают те же процессы, которые имеют место при первой катодной поляризации электрода (восстановление электролита с образованием изолирующей твердоэлектролитной пленки и интеркаляция натрия). Природа необратимой ёмкости положительных электродов может быть связана с возможным окислением компонентов (примесей) электролита

 

Публикации

1. Роман Капаев, Андрей Чеканников, Светлана Новикова, Сергей Ярославцев, Татьяна Кулова, Вячеслав Русаков, Александр Скундин, Андрей Ярославцев Mechanochemical treatment of maricite-type NaFePO4 for achieving high electrochemical performance Journal of Solid State Electrochemistry, V.21, Iss.8, P.2373-2380 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/s10008-017-3592-5

2. Роман Р. Капаев, Андрей А. Чеканников, Светлана А. Новикова, Татьяна Л. Кулова, Александр М. Скундин, Андрей Б. Ярославцев Activation of NaFePO4 with maricite structure for application as a cathode matetial in sodium-ion batteries Mendeleev Communications, V.27, P. 263-264 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.mencom.2017.05.015

3. Т.Л. Кулова, А.М. Скундин From lithium-ion to sodium-battery Russian Chemical Bulletin, V.66, No.8, P.1329-1335 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1007/s11172-017-1896-3


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработан лабораторный метод изготовления ионообменных мембран на основе Nafion с проводимостью по ионам натрия. Метод заключается в переводе исходных коммерческих мембран в натриевую форму (за счёт ионного обмена), предобработке мембран метанолом и последующем заполнении пор мембран апротонными растворителями. В качестве растворителей исследовали различные двойные, тройные и четырёхкомпонентные смеси этиленкарбоната (ЭК), пропиленкарбоната (ПК), диметоксиэтана (ДМЭ), диэтилкарбоната (ДЭК), диметилформамида (ДМФ), тетрагидрафурана (ТГФ) и диметилацетамида (ДМА). Установлено, что наиболее эффективно мембраны сорбируют молекулы ДМА ввиду их небольшого объёма и высокого дипольного момента. Методом циклической вольтамперометрии определена электрохимическая устойчивость жидкой фазы всех синтезированных полимерных электролитов. Наибольшей электрохимической стабильностью в диапазоне потенциалов от 0.001 до 4.5 В (Na/Na+) из всех изученных электролитов обладают 1 М растворы перхлората натрия в четырёхкомпонентном растворителе ЭК ‒ ПК ‒ ТГФ ‒ ДМА и в бинарных смесях ЭК-ПК и ЭК‒ТГФ. Методом спектроскопии электрохимического импеданса проведено измерение удельной проводимости мембран в диапазоне температур от ‒20 до +50 оС на симметричных ячейках углерод/мембрана/углерод. Установлено, что температурная зависимость ионной проводимости σ исследованных образцов подчиняется уравнению Аррениуса (спрямляется в координатах logσ, 1000/T, где Т ‒ абсолютная температура). На примере мембран Nafion, термообработанных метанолом, было проведено сравнение динамической вязкости и диэлектрической проницаемости исходных растворов, содержащих равные объёмы растворителей, и растворов, интеркалированных в мембрану. Установлена общая тенденция к увеличению проводимости при увеличении диэлектрической проницаемости и уменьшении вязкости растворов. Для всех исследованных мембран установлена чёткая зависимость проводимости от степени сольватации. С увеличением сольватации мембран с 2.5 до 29 ионная проводимость увеличивается с 0.15 до 4.1 мСм/см. Наибольшей степенью сольватации и ионной проводимостью при 30 °С отличаются термообработанные мембраны, выдержанные в смесях, содержащих ДМА (4.1 мСм/см для ЭК-ДМА и 4.0 мСм/см для ЭК-ДЭК-ДМА). При низких температурах наибольшими значениями проводимости (~1 мСм/см при -20 °С) характеризуется термообработанная мембрана Nafion, обработанная метанолом и выдержанная в смесях ПК-ДМА-ТГФ и ЭК-ПК-ДМА-ТГФ. Для нее наблюдается аррениусовская температурная зависимость проводимости в интервале температур -20-50 °С, что означает постоянство состава и фаз раствора во внутрипоровом пространстве в данном интервале температур. Определена степень сольватации синтезированных мембран n, которая при низких температурах варьируется в пределах 17<n≤29. Установлено, что наиболее термически стабильной и хорошо проводящей при низких температурах также является термообработанная мембрана Nafion, обработанная метанолом и выдержанная в смеси ПК-ДМА-ТГФ. Наблюдаемый на термограмме эндотермический пик с при ~-110 °С соответствует температуре стеклования смеси ПК-ДМА-ТГФ. Широкий эндотермический пик при ~110 °С характеризует испарение ДМА. Таким образом, такая мембрана характеризуется отсутствием фазовых переходов в широком интервале температур и высокими значениями проводимости в области низких температур. Изготовлены лабораторные макеты натрий-ионных аккумуляторов номинальной ёмкостью 100 мАч с жидким электролитом в корпусах из ламината. В качестве материала отрицательного электрода выбраны композиты нанотитаната натрия с углеродом (Na2Ti3O7@C), далее обозначенные как NTO@C, а в качестве матриала положительного электрода были выбраны композиты ванадофосфата натрия с углеродом (Na3V2(PO4)3@С), далее обозначенные как NVP@C. В качестве электролита использовали 1 М NaClO4 в смеси ПК‒ДМЭ (1:1). По результатам циклирования отдельных электродов в интервале температур -45 до +50 оС было установлено, что понижение температуры приводит к снижению обратимой емкости, NVP@C и NTO@C, при этом NVP@C способен работать при температурах до - 45 оС, в то время как NFMP@C и NTO@C остаются работоспособным при температуре до - 35 оС. На основании результатов циклирования функциональных материалов проведен конструктивный расчет макета натрий-ионного аккумулятора номинальной емкостью 100 мАч. Установлено, что такой макет должен содержать 30 положительных электродов (NVP@C) и 30 отрицательных электродов (NTO@C), разделенных сепаратором. Установлено, что зависимости относительной разрядной емкости (Q/Q20) от температуры для NTO@C и аккумулятора системы NVP@C-NTO@C практически линейны и могут быть представлена уравнением: Q/Q20 = 0.65 + kt (1) где Q – обратимая емкость при соответствующей температуре, Q20 – обратимая емкость при температуре 20 оС. Значения коэффициента k в уравнении (1) равны 0.015 и 0.016 для NTO@С и аккумулятора, соответственно. Для NVP@C была получена более сложная зависимость обратимой емкости от температуры. Эта зависимость содержит два линейных участка. Первый участок в температурном диапазоне от 20 оС до ‒15 оС может быть описан уравнением Q/Q20 = 0.92 + 0.0032t (2). Второй участок в температурном диапазоне от ‒15 до ‒45 оС описывается уравнением Q/Q20 = 1.4 + 0.029t (3). С помощью импульсного гальваностатического метода определены значения эффективного коэффициента диффузии натрия (Def) для NVP@C и NTO@C при разных температурах. Для NVP@C значения Def при температурах +20, ‒15, ‒25, и ‒45 оС составили 2.4*10-15, 1.3*10-16, 3*10-17 и 1.8*10-17 см2/с, соответственно. Значения Deff для NTO@C составили 8*10-16, 7*10-18, 3*10-18 и 1.5*10-18 см2/с при температурах +20, ‒15, ‒25 и ‒35 оС, соответственно. Рассчитанные значения энергии активации диффузии натрия в NVP@C и NTO@C составили 42 и 70 кДж/моль, соответственно. Проведены электрохимические испытания макета аккумулятора при температуре 20 оС и токах заряда-разряда от С/10 до 20С. Номинальная емкость макета аккумулятора составляла 100 мАч, поэтому режимам С/10, С, 5С, 10С и 20С соответствовали токи 10, 100, 500, 1000 и 2000 мА, соответственно. В результате циклирования установлено, что при малом токе разрядная емкость практически равна номинальной (97 мАч). Повышение плотности тока закономерно приводило к снижению разрядной емкости и среднего разрядного напряжения. При токе 20С разрядная емкость составляла около 10 % от номинальной емкости. Составлены программа и методика испытаний лабораторных макетов с целью оценки их разрядной ёмкости в диапазоне нагрузок от С/10 до 20С, а также скорости деградации при циклировании при комнатной температуре. Проведена оценка возможности создания натриевого аккумулятора с полимерным электролитом на основе мембраны Нафион, пропитанной смесью апротонных органических растворителей и положительным электродом на основе композита Na3V1.9Fe0.1(PO4)3/C для чего собрано 10 лабораторных макетов натриевых аккумуляторов в дисковых корпусах типоразмера 2016. При изготовлении положительных электродов в качестве связующего был использован раствор Nafion в натриевой форме в диметилсульфоксиде. Установлено, что важным фактором при выборе органического растворителя, которым пропитывается мембрана нафион в натриевой форме, является окно электрохимической стабильности. Показано, что натриевые аккумуляторы с электролитом на основе мембраны Нафион, имеющей в своём составе ДМА, характеризуются падением емкости при циклировании, что было объяснено взаимодействием ДМА с отрицательным металлическим натриевым электродом. Подходящим электролитом для натриевого аккумулятора, с точки зрения высокой проводимости и электрохимической устойчивости, является мембрана из нафиона в натриевой форме, пропитанная бинарным растворителем ЭК‒ПК. Аккумулятор с этим электролитом показал разрядную емкость ~110 мАч/г (С/10) при комнатной температуре и способность длительно циклироваться. Оценена теоретическая удельная энергия (в расчёте на массу активных веществ) натриевых аккумуляторов с полимерным электролитом и положительным электродом на основе композита Na3V1.9Fe0.1(PO4)3/C, которая составила около 360 Втч/кг. С учётом массы конструкционных материалов и полимерного электролита меньшей толщины (менее 0.1 мм) можно рассчитывать на достижение практической удельной энергии 180‒200 Втч/кг, что представляется вполне оптимистичным. Применение в натриевом аккумуляторе положительных электродов с активным материалом, имеющем более высокую удельную ёмкость, чем Na3V1.9Fe0.1(PO4)3, приведёт к соответствующему повышению удельной энергии. По результатам работы в 2018 г. опубликованы следующие статьи: 1. Voropaeva, D.Y., Novikova, S.A., Kulova, T.L., Yaroslavtsev, A.B. Solvation and sodium conductivity of nonaqueous polymer electrolytes based on Nafion-117 membranes and polar aprotic solvents ‒ Solid State Ionics. 2018. V. 324. P. 28‒32. DOI: 10.1016/j.ssi.2018.06.002. Q1, IF -2.751. (WoS, Scopus). 2. T.L. Kulova, Y. O. Kudryashova, A. A. Kuz’mina, A. M. Skundin, I. A. Stenina, A. A. Chekannikov, A. B. Yaroslavtsev, J. Libich. Study of degradation of Na2Тi3O7-based electrode during cycling. Journal of Solid State Electrochemistry. 2019. V. 23. DOI DOI:10.1007/s10008-018-4154-1. Q2, IF -2.509. (WoS, Scopus). 3. Alexander Skundin, Tatiana Kulova, Svetlana Novikova, Andrey Chekannikov, Yuliya Kudryashova. Temperature Effect on Behavior of Sodium-ion Battery Electrodes Based on Na3V2(PO4)3@C/Ag Composite. ‒ Int. J. Electrochem. Sci., 13(2018)12118-12124. doi: 10.20964/2018.12.87 Q3, IF -1.369. (WoS, Scopus). 4. Tatiana Kulova, Alexander Skundin, Andrey Chekannikov, Svetlana Novikova, Daria Voropaeva and Andrey Yaroslavtsev. Sodium Rechargeable Batteries with Electrolytes Based on Nafion Membranes Intercalated by Mixtures of Organic Solvents. ‒ Batteries. 2018, 4(4), 61; DOI:10.3390/batteries4040061. (WoS). 5. Т.Л. Кулова, А.М. Скундин. Полимерные электролиты для натрий-ионных аккумуляторов ‒ Электрохимическая энергетика. 2018. Т. 18. № 1. С. 26‒47. DOI: 10.18500/1608-4039-2018-1-26-47 (РИНЦ). Приняты к печати и будут опубликованы в 2019 г. статьи: 1. «Электрохимическое внедрение натрия в композиты на основе фосфата железа III» - Inorganic Materials.Q4. IF-0.699. (WoS, Scopus). 2. “Study of Sodium-ion Battery Based on Sodium Vanadium Phosphate and Sodium Titanate at Low Temperatures” Int. J. Electrochem. Sci., 14 (2019) xx – yy, doi: 10.20964/2019.02.10.Q3, IF -1.369. (WoS, Scopus). Результаты работы в 2018 г доложены на следующих конференциях: 1. 69th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry “Electrochemistry from Knowledge to Innovation” Bologna, Italy, 2-7 September 2018: Кулова Т.Л. – постерный доклад: “EIS Study of Degradation Mechanism of Sodium-Titanate-Based Electrodes of Sodiumion Batteries”. Скундин А.М. – постерный доклад “Nanocomposite of Vanadium Doped Iron Phosphate with Mesoporous Carbon as Cathodic Material for Sodium-ion Batteries”. 2. Международная конференция «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», 2018, 17‒20 сентября, Санкт-Петербург, Россия. Кулова Т.Л. – устный доклад «Особенности поведения натрий-ионных аккумуляторов при пониженных температурах». Кузьмина А.А. - постерный доклад «Разработка натриевого аккумулятора с полимерным электролитом». Кудряшова Ю.О. - постерный доклад «Электрохимическое поведение титаната натрия, подвергнутого механохимической обработке». 3. 7th Baltic Electrochemistry Conference: Finding New Inspiration Tartu, Estonia, November 4‒7, 2018 Скундин А.М. - устный доклад «Sodium Secondary Battery with Polymer Electrolyte» Кулова Т.Л. - постерный доклад «The Features of Sodium-ion Batteries with Two-phase Electrodes». 4. VIII Всероссийская конференция с международным участием «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах ФАГРАН‒2018». Воронеж 8‒11 октября 2018 г. Скундин А.М. – пленарный доклад "Натрий-ионные аккумуляторы: проблемы и перспективы". 5. 14th International Conference “Fundamental Problems of Solid-state Ionics. Chernogolovka. September 9‒13. 2018. A.M. Skundin. ‒ пленарный доклад "Phosphorus in sodium-ion batteries" Кулова Т.Л. ‒ устный доклад "Общие принципы создания натрий-ионных аккумуляторов". 6. Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН. 4-6 декабря 2018 г. Кузьмина А.А. - устный доклад (Первая премия). "Особенности циклируемости натрий-ионного аккумулятора при отрицательных температурах" .

 

Публикации

1. Воропаева Д.Ю., Новикова С.А., Кулова Т.Л., Ярославцев А.Б. Solvation and sodium conductivity of nonaqueous polymer electrolytes based on Nafion-117 membranes and polar aprotic solvents Solid State Ionics, V. 324, P. 28-32 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.ssi.2018.06.002

2. Кулова Т.Л., Кудряшова Ю.О., Кузьмина А.А., Скундин А.М., Стенина И.А., Чеканников А.А., Ярославцев А.Б., Либих И. Study of degradation of Na2Тi3O7-based electrode during cycling Journal of Solid State Electrochemistry, V.23 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1007/s10008-018-4154-1

3. Кулова Т.Л., Скундин А.М. Полимерные электролиты для натрий-ионных аккумуляторов Электрохимическая энергетика, Т. 18, №1, С. 26-47 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18500/1608-4039-2018-1-26-47

4. Кулова Т.Л., Скундин А.М., Чеканников А.А., Новикова С.А., Воропаева Д.Ю., Ярославцев А.Б. Sodium Rechargeable Batteries with Electrolytes Based on Nafion Membranes Intercalated by Mixtures of Organic Solvents Batteries, V. 4, artical 61 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3390/batteries4040061

5. Кулова Т.Л., Скундин А.М., Чеканников А.А., Новикова С.А., Стенина И.А., Кудряшова Ю.О., Синеко Г.Д. Study of Sodium-ion Battery Based on Sodium Vanadium Phosphate and Sodium Titanate at Low Temperatures International Journal of Electrochemical Science, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.20964/2019.02.10

6. Озерова В.В., Новикова С.А., Чеканников А.А., Кулова Т.Л.,Скундин А.М., Ярославцев А.Б. Электрохимическое внедрение натрия в композиты на основе фосфата железа (III) и углерода Inorganic Materials, - (год публикации - 2019)

7. Скундин А.М., Кулова Т.Л., Новикова С.А., Чеканников А.А., Кудряшова Ю.О. Temperature Effect on Behavior of Sodium-ion Battery Electrodes Based on Na3V2(PO4)3@C/Ag Composite International Journal of Electrochemical Science, V.13, P.12118 – 12124 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.20964/2018.12.87


Возможность практического использования результатов
Проект направлен на развитие технологии новых и возобновляемых источников энергии, что является критической технологией в приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Ключевым требованием для использования возобновляемых источников энергии, включая солнечную, ветровую, приливную и т.п. является создание стационарных накопителей энергии достаточно большой энергоёмкости. Известно, что в настоящее время лучшими аккумуляторами электрической энергии являются литий-ионные аккумуляторы, имеющие максимальную энергоёмкость, достаточно длительный срок службы в широком диапазоне температур и токовых нагрузок. Такие аккумуляторы обеспечивают работу всех современных портативных электронных устройств, однако значительное расширение масштабов использования литий-ионных аккумуляторов ограничивается сырьевыми возможностями, а также экономическими соображениями. Общепризнано, что основными типами электрохимических накопителей в крупномасштабных производствах будут натрий-ионные аккумуляторы, над созданием практической технологии которых во всём мире начата интенсивная работа. Общепризнано также, что ключевыми проблемами при разработке натрий-ионных аккумуляторов являются проблемы функциональных электродных материалов. Результаты настоящего проекта, а именно, разработка лабораторной технологии функциональных электродных материалов, могут быть использованы при обосновании и проведении опытно-конструкторских и опытно-технологических работ по созданию пилотной технологии натрий-ионных аккумуляторов, как первой ступени создания широкомасштабного производства современных накопителей энергии.