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 24-22-00349
НазваниеЭлектронные и магнитные свойства катодных материалов новых Zn-ионных батарей
Руководитель Коротин Дмитрий Михайлович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл
Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния
Ключевые слова цинк-ионные батареи, катоды, электронная структура, кулоновские корреляции, оксиды ванадия, магнетизм
Код ГРНТИ29.19.24
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка новых типов аккумуляторов играет важную роль в современной энергетике, способствуя повышению эффективности, улучшению экологических характеристик и удовлетворению растущих потребностей в электроэнергии. Это является неотъемлемой частью развития устойчивой энергетической системы и перехода к более чистым источникам энергии.
Среди различных технологий, способных обеспечить хранение и обратное преобразование электроэнергии, особый интерес представляют батареи на основе ионов цинка (Zn2+). Пока ещё находящиеся на этапе разработки, эти батареи потенциально имеют несколько заметных преимуществ перед уже существующими Li-ионными батареями.
Ионы цинка (Zn2+) обладают высокой электрохимической активностью и они распространены в земной коре, что делает их доступными и экономически выгодными для использования в аккумуляторах. Кроме того, цинк имеет высокую плотность энергии, что означает, что аккумуляторы на основе ионов Zn2+ могут обеспечивать высокую энергетическую емкость и длительное время работы.
Цинк-ионные аккумуляторы обладают хорошей безопасностью и стабильностью. Они обычно работают в водных растворах или негорючих электролитах, что снижает риск возгорания или взрыва. Кроме того, материалы этих батарей в лабораторных условиях демонстрируют длительный срок службы и могут выдерживать большое количество циклов заряд-разряд, что делает их надежными и устойчивыми.
Также стоит отметить, что аккумуляторы на основе ионов Zn2+ могут быть более экологически чистыми, поскольку они не содержат тяжелых металлов или токсичных веществ, таких как свинец или кадмий, что упрощает их дальнейшую переработку и утилизацию.
В целом, аккумуляторы на основе ионов Zn2+ представляют собой перспективное и актуальное направление развития, обладающее потенциалом для создания более эффективных, безопасных и экологически чистых энергетических решений.
Данный проект направлен на исследование микроскопических процессов, происходящих в материалах катода Zn-ионных батарей. Поскольку в основе материалов катода лежат чаще всего оксиды переходных металлов (в данном проекте - оксид ванадия), существенными для их свойств являются эффекты сильного кулоновского взаимодействия между электронами частично заполненных оболочек.
Цель исследования заключается в выявлении механизмов формирования электронных, магнитных и электрохимических свойств этих материалов в зависимости от их состава. Полученные теоретические данные будут использованы в дальнейшей разработке новых материалов для водных Zn-ионных устройств хранения энергии, обладающих уникальными характеристиками.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках первого года проекта были проведены комплексные теоретические исследования электронной и магнитной структуры модифицированного пентоксида ванадия - перспективного материала для катодов водных цинк-ионных аккумуляторов. Актуальность работы обусловлена растущей потребностью в разработке новых типов безопасных и эффективных источников хранения энергии, где цинк-ионные аккумуляторы представляют интерес благодаря их низкой стоимости, экологичности и высокой энергоемкости. С использованием современных методов квантово-механических расчетов было показано, что внедрение ионов аммония в межслоевое пространство V2O5 приводит к увеличению объема элементарной ячейки на 37% и формированию электронной структуры с двумя различными состояниями ионов ванадия. Было установлено, что магнитные ионы ванадия в NH4•V2O5 образуют квазиодномерные цепочки с сильным внутрицепочечным и пренебрежимо малым межцепочечным обменным взаимодействием, что открывает возможности для создания низкоразмерных магнитных систем.
Отдельное внимание было уделено исследованию влияния электронных корреляций на транспортные свойства ионов цинка в структуре Zn0.5•V2O5. Было установлено, что учет сильных электронных корреляций существенно влияет на описание электронной структуры и ионной проводимости материала. В частности, были выявлены значительные изменения в величине энергетического барьера миграции ионов цинка в зависимости от степени учета кулоновских корреляций. Полученные результаты важны для понимания механизмов ионного транспорта в катодных материалах цинк-ионных аккумуляторов и могут быть использованы для целенаправленной оптимизации их электрохимических характеристик. По результатам исследований были подготовлены две научные статьи, направленные в ведущие физические журналы, а также представлен доклад на профильной научной конференции.
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде проведены исследования кристаллической, электронной, магнитной структуры и ионно-транспортных свойств интеркалированных ванадатов V2O5 методами теории функционала плотности и связанных подходов. Получена новая устойчивая кристаллическая структура (H2O)V2O5, ранее не описанная в литературе; ее стабильность подтверждена расчетами энтальпии и фононного спектра. Методом NEB построены энергетические профили миграции Zn2+ в структурах (H2O)xV2O5, установлено существенное увеличение барьеров по сравнению с α-V2O5, что указывает на снижение ионной подвижности при частичной гидратации.
Выполнено исследование допированных систем, в частности получены данные о структурных и магнитных изменениях при интеркаляции ионов Ni в межслойные области V2O5. Установлено формирование локализованных магнитных моментов на ионах V4+ и Ni+ и слабое магнитное взаимодействие между слоями вдоль направления [001]. Для соединения (NH4)V2O5 определено энергетически выгодное зарядовое упорядочение на ионах ванадия и рассчитаны параметры обменных взаимодействий.
Возможность практического использования результатов
Полученные результаты носят фундаментальный характер и направлены на углубление понимания механизмов электронной локализации, магнитного упорядочения и ионного транспорта в слоистых ванадатах. Они формируют научный задел для будущих технологий хранения энергии и функциональных магнитных материалов, однако их практическое использование возможно лишь в долгосрочной перспективе и требует дальнейших прикладных исследований.