Разработка научных основ создания литий-ионного аккумулятора с анодом на основе нитевидных нанокристаллов германия для работы в условиях холодного климата.

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 20-79-10312

НазваниеРазработка научных основ создания литий-ионного аккумулятора с анодом на основе нитевидных нанокристаллов германия для работы в условиях холодного климата.

Руководитель Гаврилин Илья Михайлович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 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 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова литий-ионный аккумулятор, электрохимическая ячейка, нанокристаллы, германий, нанонити

Код ГРНТИ44.41.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) широко используются в качестве источников питания для портативных электронных устройств благодаря сочетанию высокой плотности энергии, небольшого веса и низкого саморазряда по сравнению с другими вторичными источниками тока. Однако современные коммерческие ЛИА теряют большую часть своей емкости и мощности, когда работают при отрицательных температурах. Например, при -20°C коммерческие ЛИА могут производить только до 10% от емкости, достигаемой при комнатной температуре (+20°C), что препятствует их широкому применению в районах с холодным климатом, где температура окружающей среды может достигать -50°C. Основным ограничением работы ЛИА при низких температурах (<-20°C) является низкий коэффициент диффузии ионов Li+ в материале анода в основном графита. Таким образом, поиск альтернативных материалов и разработка на их основе новых ЛИА, эффективно работающих при температурах окружающей среды ниже -20°C, является на сегодняшний день актуальной задачей. В настоящем проекте предлагается использовать в качестве анодного материала нитевидные нанокристаллы Ge (ННК Ge). Для получения ННК Ge будет использоваться новый подход к электрохимическому синтезу Ge, позволяющий формировать структуры из водных растворов GeO2 при температурах ниже кипения воды. Особенностью этого является использование легкоплавкого металла в качестве среды растворения и кристаллизации Ge. В результате реализации проекта впервые будут получены температурные зависимости зарядной/разрядной ёмкости, оценочные значения энергии активации, коэффициентов диффузии, сопротивления переноса заряда и определены лимитирующие стадии электродного процесса внедрения/экстракции Li в материалы катода и анода при отрицательных температурах (до -50°С). В рамках проекта впервые будут проведены длительные и многократные циклирования ЛИА с анодом на основе ННК Ge при разных температурах процесса заряда/разряда и токовых нагрузках, а также определены основные параметры катодного и анодного материала, влияющих на деградацию аккумулятора при отрицательных температурах (до -50°С). Получение перечисленных результатов может стать существенным заделом для создания ЛИА, способных работать при отрицательных температурах близких к -50°С с удельной энергоемкостью не менее 100 Вт•ч/кг.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рыжикова Е. В., Ли С.А., Скундин А.М. Влияние модификации электродов на величину емкости аккумулятора при разных температурах Труды 15-ого международного совещания "Фундаментальные проблемы ионики твердого тела" (год публикации - 2020)

2. Гаврилин И.М., Кудряшова Ю.О. , Кузьмина А.А., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Емец В. В., Волков Р.Л., Дронов А.А., Боргардт Н. И., Гаврилов С.А. High-rate and low-temperature performance of germanium nanowires anode for lithium-ion batteries Journal of Electroanalytical Chemistry, Volume 888,115209 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jelechem.2021.115209

3. Еметц В.В., Гаврилин И.М., Кулова Т.Л., Скундин А.М., Шарафутдинова А.М., Гаврилов С.А. Dynamics of changes in the kinetic parameters of germanium nanowires during lithiation/delithiation in a wide temperature range Journal of Electroanalytical Chemistry, Volume 902, 115811 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jelechem.2021.115811

4. Кулова Т.Л., Гаврилин И.М., Кудряшова Ю.О., Скундин А.М., Гаврилов С.А. Cyclability enhancement and decreasing the irreversible capacity of anodes based on germanium nanowires for lithium-ion batteries Mendeleev Communications, Volume 31, Issue 6, Pages 842-843 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jelechem.2021.115811

5. ЧИРКОВА Е.В., КУЛОВА Т.Л., ГАВРИЛИН И.М. ИЗМЕНЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОИСТОГО ОКСИДА НИКЕЛЯ, КОБАЛЬТА, АЛЮМИНИЯ ПРИ ЦИКЛИРОВАНИИ Тезисы докладов ХХV Всероссийской конференции молодых ученых-химиков (с международным участием), Нижний Новгород: Изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2022. - с. 292 (год публикации - 2022)

6. Кудряшова Ю.О., Гаврилин И.М., Кулова Т.Л., Скундин А.М. ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ГЕРМАНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ ОБРАТИМОМ ВНЕДРЕНИИ ЛИТИЯ И НАТРИЯ Сборник тезисов докладов ХХV ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ-ХИМИКОВ (С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ), Нижний Новгород, 2022, с. 278 (год публикации - 2022)

7. Кузьмина А.А. , Гаврилин И.М., Чиркова Е.В., Кулова Т.Л. Исследование электрохимических характеристик положительных электродов литий-ионного аккумулятора при пониженных температурах Материалы XVI МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ЛИТИЕВЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, Материалы XVI Международной конференции. / Под ред. В.С. Колосницына – Уфа, 2021. – 150 с.:ил. (год публикации - 2021)

8. Кулова Т. Л. , Скундин А. М., Чиркова Е. В. Reasons for the Degradation of Electrodes Based on Layered Transition Metal Oxide LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 Russ. J. Phys. Chem., 96, 2528–2532 (год публикации - 2022)
10.1134/S0036024422110139

9. Еремина А. С., Гаврилин И. М., Покрышкин Н. С.; Харин А. Ю.; Сюй А. В., Волков В. С., Якунин В. Г., Бубенов С. С.; Дорофеев С.Г.,Гаврилов С.А.,Тимошенко В.Ю. Effect of Silicate Additive on Structural and Electrical Properties of Germanium Nanowires Formed by Electrochemical Reduction from Aqueous Solutions Nanomaterials, 12(16), 2884, p1-16 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12162884

10. Кудряшова Ю.О., Гаврилин И.М., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Повышение стабильности анодов на основе ННК Ge за счет добавки виниленкарбоната в электролит при обратимом внедрении лития и натрия Тезисы докладов XVII Международной конференции «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», Москва: Изд-во Сколково, 2022. - с. 209 (год публикации - 2022)

11. Чиркова Е.В., Кудряшова Ю.О., Гаврилин И.М., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Литий-ионный аккумулятор системы «LiNi0.8Co0.15 Al0.05O2 /Ge» для низкотемпературных применений Тезисы докладов XVII Международной конференции «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», Москва: Изд-во Сколково, 2022. - с. 209 (год публикации - 2022)

12. Гаврилин И.М., Кудряшова Ю.О., Муртазин М.М., Циняйкин И.И., Павликов А.В., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Electrochemical Synthesis and Application of Ge-Sn-O Nanostructures as Anodes of Lithium-Ion Batteries Applied Nano, 4(2),178-190 (год публикации - 2023)
10.3390/applnano4020010

13. Гаврилов С. А., Гаврилин И. М., Мартынова И. К., Кулова Т. Л., Ковтушенко Е. В., Скундин А. М., Поляков М. В., Волкова Л. С. , Новикова С. А. Germanium–Cobalt–Indium Nanostructures as Anodes of Lithium-Ion Batteries for Room- and Low-Temperature Performance Batteries, 9, 445, 1-14 (год публикации - 2023)
10.3390/batteries9090445

Публикации