Поколение 4+: поиск и разработка катодных материалов и электролитов литий-ионных аккумуляторов со средним рабочим напряжением более 4 В

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 19-73-10078

НазваниеПоколение 4+: поиск и разработка катодных материалов и электролитов литий-ионных аккумуляторов со средним рабочим напряжением более 4 В

Руководитель Дрожжин Олег Андреевич, Кандидат химических наук

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

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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; катодный материал; электролит; высоковольтный; оксиды; фосфаты; фторидофосфаты

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Крайне масштабный и быстро растущий рынок литий-ионных аккумуляторов (~20-30 млрд. долл./год) требует постоянного совершенствования технологии – увеличения энергоемкости аккумуляторов, их циклируемости, безопасности, уменьшения стоимости и т.д. Проблемой увеличения удельной энергоемкости литий-ионных аккумуляторов заняты тысячи ученых в научных и технологических организациях по всему миру. Тем не менее, за последние 20 лет прогресс в этой области в основном достигался благодаря улучшению технологий изготовления активных слоев и самих аккумуляторов. Наиболее энергоемкие из используемых сегодня катодных материалов – слоистые оксиды LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) и LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NMC) – являются производными от LiCoO2, представленного в качестве катодного материала почти 40 лет назад. Удельная емкость этих материалов (при сохранении достаточной стабильности циклирования) превышает емкость LiCoO2 всего на 10-30% (при этом энергоемкость самих ЛИА возросла более чем на 100%), при сохранении того же среднего рабочего напряжения - 3.7 В. Надежды мирового сообщества на применение т.н. обогащенных литием оксидов (Li-rich NMC) с удельной емкостью ~250 мАч/г до сих пор не оправдались из-за нерешенной проблемы деградации разрядного потенциала при циклировании [M. Sathiya et al., Nat. Mater., 14, 230–238 (2015)] и низкой скорости редокс-процесса с участием анионов кислорода. Таким образом, попытка улучшения технологии ЛИА путем увеличения удельной емкости катодного материала на сегодняшний день оказалась не слишком успешной. В связи с этим второй путь улучшения удельной энергоемкости – повышение среднего рабочего потенциала единичных ячеек ЛИА – является крайне актуальной на сегодняшний день задачей. В рамках выполнения проекта планируется создание пар «катодный материал-электролит» (при сохранении имеющейся технологии изготовления анода из графита или «жесткого углерода»), обуславливающего стабильное циклирование литий-ионной полуячейки со средним рабочим потенциалом более 4.0 В отн. Li/Li+ (или средним напряжением более 4.0 В при создании полных ячеек с углеродным анодом). Для решения этой задачи планируется проведение исследований в следующих направлениях: А) синтез и комплексное материаловедческое исследование катодных материалов различного типа (оксиды, фосфаты, фторидофосфаты лития и переходных металлов), в т.ч. с частицами "ядро-оболочка" и с модифицированной поверхностью; Б) разработка и физико-химическое исследование растворов электролитов различного состава (растворы солей лития в алкилкарбонаты, сульфонах, нитрилах с различными добавками); В) сборка полу- и полных электрохимических ячеек, циклирование в различных режимах, определение степени устойчивости системы Г) выявление причин возможной деградации путем анализа кристаллической структуры материала, поверхности катода/анода, состава электролита Д) оптимизация компонентов ячеек, в первую очередь катода и электролита → пункт А Таким образом, для получения запланированных результатов будут проводиться комплексные исследования на стыке неорганической химии, материаловедения, физической химии и электрохимии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дрожжин О.А., Алексеева А.М., Шевченко В.А., Чернышов Д., Абакумов А.М., Антипов Е.В. Phase Transitions in the “Spinel-Layered” Li1+xNi0.5Mn1.5O4 (x = 0, 0.5, 1) Cathodes upon (De)lithiation Studied with Operando Synchrotron X-ray Powder Diffraction Nanomaterials, 11, 1368 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11061368

2. Тертов И.В., Дрожжин О.А.,Алексеева А.М.,Кирсанова М.А.,Миронов А.В., Абакумов А.М., Антипов Е.В. β-LiVP2O7 as a positive electrode material for Li-ion batteries Electrochimica Acta, v. 389, 138759 (год публикации - 2021)
10.1016/j.electacta.2021.138759

3. Дрожжин О.А., Алексеева А.М., Тябликов О.А., Маренко А.П., Антипов Е.В. К вопросу об электрохимической активности редокс-пары Ni2+/Ni3+ в полианионных катодных материалах различных структурных типов Электрохимия (год публикации - 2022)

4. Белова Е.В., Шакирова Ю.Д., Куликов Л.А., Бобылёва З.В., Успенская И.А. Aliphatic saturated sulfones C6-C14: possible candidates for a new aprotic inert solvent: part 1: melting of individual substances Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, 5637–5646 (2023) (год публикации - 2023)
10.1007/s10973-023-12128-x

Публикации