Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров

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 16-13-00038

НазваниеЭлектродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров

Руководитель Левин Олег Владиславович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

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 слова литий-ионные аккумуляторы, проводящие полимеры, стабильные свободные радикалы, комплексы переходных металлов, органические катодные материалы

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен созданию новых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе полимерных комплексов металлов с основаниями Шиффа, модифицированных энергоёмкими нитроксильно-радикальными редокс-группами группы (TEMPO). Основной задачей проекта является увеличение проводимости катодных материалов органических батарей при условии сохранения достаточных величин удельной ёмкости за счёт использования в качестве проводящей основы материалов, обладающих высокой собственной ёмкостью. Актуальность и научная новизна проекта определяется следующими фактами: полимерные комплексы переходных металлов, таких как никель, медь, кобальт и др., с основаниями Шиффа саленового типа (рис 1), представляют собой хорошо известный класс металлорганических проводящих полимеров, отличающихся высокой электронной и ионной проводимостью [15], большой собственной редокс-ёмкостью [18] и стабильностью при циклическом окислении-восстановлении в органических электролитах [16, 17]. Благодаря этим свойствам полимерные комплексы активно используются в качестве модификаторов электродов двойнослойных суперконденсаторов [19-23], однако информация о возможности их применения в литий-ионных аккумуляторах практически отсутствует. В то же время известно множество работ, посвященных использованию проводящих полимеров для увеличения электропроводности катодных материалов как на основе неорганических соединений, таких, как LiCoO2 [24, 25] или LiFePO4 [26, 27], так и на основе перспективных органических редокс-систем [28]. В отличии от исследованных в цитируемых работах полимеров (полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен и др.), полимерные комплексы металлов саленового типа обладают более высокой проводимостью [15] и редокс-ёмкостью [18, 29], что делает актуальным их использование в составе катодных материалов. Показанная в ряде работ возможность введения в структуру комплексов различных заместителей с сохранением электрохимических свойств полимерных материалов [18, 20, 30-37] делает данные комплексы удобными для создания новых полимеров, содержащих одну или несколько малых редокс-активных групп типа TEMPO. Последние, в виде свободных молекул TEMPO или материалов на основе алифатических полимеров, благодаря высокой редокс ёмскости, известны как перспективные материалы для катодов литий-органических батарей, однако сами по себе обладают низкой электронной проводимостью. Этот недостаток как раз и может быть устранен путем соединения TEMPO-групп с высокопроводящими полимерными комплексами. Для достижения поставленных целей в ходе работы над проектом будут синтезированы новые катодные материалы на основе полимерных комплексов никеля и меди. В качестве таких материалов предлагается использовать как новые соединения, содержащие химически связанные с основной полимерной цепью редоксактивные группы на базе TEMPO, так и механические смеси известных комплексов с редоксактивными материалами. Полученные материалы будут исследованы различными электрохимическими и физическими методами, такими как циклическая вольтамперометрия, спектроскопия импеданса, электрохимическая кварцевая микрогравиметрия, и др. После этого будет проведено тестирование материалов в макетах литий-ионных аккумуляторов, в результате чего будет предложен ряд оптимальных составов, пригодных для использования в качестве катодов литий-органических батарей высокой мощности. Механизмы влияния органических заместителей на электронную структуру исследуемых соединений будут установлены с помощью квантовохимических расчетов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кузнецов Н., Янг П., Горислов Г., Жуков Ю., Бочаров В., Малев В., Левин О. Electrochemical transformations of polymers formed from nickel (II) complexes with salen-type ligands in aqueous alkaline electrolytes Electrochimica Acta, 271 (2018) 190-202 (год публикации - 2018)
10.1016/j.electacta.2018.03.042

2. Белецкий Е.В., Волосатова Ю.А., Елисеева С.Н., Левин О.В. Влияние электродного потенциала на проводимость полимерных комплексов никеля с лигандами саленового типа Электрохимия (год публикации - 2019)

3. Алексеева Е.В., Ершов В.А., Конев А.С., Левин О.В. Dependence of Stability of the Polymerizesd Nickel Complexes with Schiff Bases on the Structure of the Ligand Diimine Bridge ECS Transactions, ECS Transactions, 87 (1) 167-177 (2018) (год публикации - 2018)
10.1149/08701.0167ecst

4. Верещагин А.А., Власов П.С., Конев А.С., Янг П., Гречишникова Г.А., Левин О.В. Novel highly conductive cathode material based on stable-radical organic framework and polymerized nickel complex for electrochemical energy storage devices Electrochimica Acta, Electrochimica Acta 295 (2019) 1075-1084 (год публикации - 2019)
10.1016/j.electacta.2018.11.149

5. Ершов В.А., Алексеева Е.В., Конев А.С., Чирков Н.С., Стельмашук Т.А., Левин О.В. Влияние структуры полимерных комплексов никеля с лигандами саленового типа на скорость потери их электроактивности в растворах водосодержащих электролитов Журнал общей химии, 2018.Т. 88. С. 300-306 (год публикации - 2018)
10.1134/S1070363218020147

6. Верещагин А.А., Лукьянов Д.А., Куликов И.Р., Панджави Н.А., Алексеева Е.А., Бехрендс Я., Левин О.В. The Fast and the Capacious: A [Ni(Salen)]‐TEMPO Redox‐Conducting Polymer for Organic Batteries BATTERIES & SUPERCAPS, atteries & Supercaps 2021, 4, 336 – 346 (год публикации - 2020)
10.1002/batt.202000220

7. С. А. Самохвалова, В. А. Ершов, Д. А. Лукьянов, П. С. Власов, О. В. Левин НОВЫЕ БИС(САЛИЦИЛИДЕНИМИНАТНЫЕ) КОМПЛЕКСЫ НИКЕЛЯ(II) С КАРБОКСИЭТИЛЕНОВОЙ СВЯЗКОЙ ИМИННЫХ ГРУПП И ИХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ Журнал общей химии, 2019, том 89, No 4, с. 649–653 (год публикации - 2019)
10.1134/S0044460X19040231

8. Елисеева С.Н., Алексеева Е.В., Верещагин А.А., Волков А.И., Власов П.С., Конев А.С., Левин О.В. Nickel-Salen Type Polymers as Cathode Materials for Rechargeable Lithium Batteries Macromolecular Chemistry and Physics, 10.1002/macp.201700361 (год публикации - 2017)
10.1002/macp.201700361

9. Анищенко Д.В., Левин О.В., Малев В.В. Double Layer Structural Effects in Cyclic Voltammetry Curves Complicated with Non-Equilibrium Injection of Charge Carriers into Redox Polymer Films Electrochimica Acta, V 241, pp. 375-385 (год публикации - 2017)
10.1016/j.electacta.2017.04.095

10. Верещагин А.А., Сизов В.В., Верюжский М.С., Гром С.И., Волков А.И., Данилова Ю.С., Новожилова М.В., Лаасконен А., Левин О.В. Document Interaction of amines with electrodes modified by polymeric complexes of Ni with salen-type ligands Electrochimica Acta, Volume 211, Pages 726-734 (год публикации - 2016)
10.1016/j.electacta.2016.06.087

11. Верещагин А.А., Сизов В.В., Власов П.С., Алексеева Е.В., Конев А.С., Левин О.В. Water-stable [Ni(salen)]-type electrode material based on phenylazosubstituted salicylic aldehyde imine ligand New Journal of Chemistry, NewJ.Chem., 2017, 41, 13918 (год публикации - 2017)
10.1039/c7nj03526h

12. Алексеева Е.В., Чепурная И.А., Малев В.В., Тимонов А.М., Левин О.В. Polymeric nickel complexes with salen-type ligands for modification of supercapacitor electrodes: impedance studies of charge transfer and storage properties Electrochimica Acta, Volume 225,Pages 378-391 (год публикации - 2017)
10.1016/j.electacta.2016.12.135

Публикации