Лаборатория технологий электрохимических производств Центра физико-химических методов исследования и анализа формально существует с 1996 года, однако многие ее научные разработки получили свое развитие еще на кафедрах физической и аналитической химии Казахского государственного университета. Ее бессменным заведующим и научным руководителем всех проводимых исследований является д.х.н., профессор Курбатов А.П.

Традиционно в лаборатории технологий электрохимических производств проводились работы в области гальванотехники, направленные на усовершенствование технологий получения покрытий для ювелирной промышленности: никелирование, меднение, хромирование, золочение и серебрение. Интересные разработки были сделаны в области получения гальванокопий при формировании первичных покрытий на неметаллических изделиях, из которых изготавливалось копия, также разрабатывались новые электролиты для увеличения скорости роста покрытия. Здесь же были разработаны новые варианты технологий металлизации пластмасс, оксидирования медных, алюминиевых, никелевых и латунных изделий для декоративных целей (Моисеевич О.Ю., Галеева А.К., Шолакова А.Н.). Все эти работы, как правило, выполнялись по соответствующим договорам с заинтересованными предприятиями, занимающимися производством ювелирной продукции.
Значительный период научной деятельности лаборатории был посвящен вопросам металлизации полиимидных пленок для печатных плат, космических зеркал и антенн, также разрабатывались технологии получения металлизированных микрокапсул и самозаживляющихся покрытий (Моисеевич О.Ю., Галеева А.К., Мельситова И.Б., Николаева Е.С.). Эти работы проводились по гранту МНТЦ и двум грантам НАТО в сотрудничестве с учеными из Марсельского Университета, Техасского Университета, Московского педагогического Университета и Технического университета г. Монпелье. Работы по получению самозаживляющихся покрытий продолжаются по сей день в рамках гранта по проекту МОН РК «Коммерциализация технологий» при поддержке Всемирного банка.
Интересным как в практическом, так и в фундаментальном аспекте являются работы по формированию наноструктур и фрактальных структур при помощи электрохимических методов осаждения металлов (целевые гранты МОН РК). Так, на примере никеля и меди была показана возможность формирования многоуровневых фрактальных структур для использования их в качестве матрицы различного рода электродов, в частности, для электродов электрохимических преобразователей энергии (Камысбаев Д.Х., Мельситова И.Б.).
В вопросах гидроэлектрометаллургии лаборатория занималась, в основном, разработкой способов получения металлических порошков никеля, меди и цинка. Были усовершенствованы составы электролитов с использованием добавок поверхностно-активных веществ и отработаны режимы электролиза для получения высокодисперсных порошков (Кобжанов А.С., Кушнарев М.С.). В качестве достижения необходимо отметить не только технологию получения порошков меди и никеля размером в несколько микрон, но и разработку модели формирования осадка.
Значимой работой в области электрогидрометаллургии является также работа, посвященная электрохимической генерации окислителей в растворах серной кислоты, используемых для процесса подземного выщелачивания урана. Такая проблема была поставлена АО НАК «КазАтомПром». Отработаны режимы получения растворов надсерной кислоты в проточном электролизере, оптимизированы концентрационные и электрохимические параметры процесса (Мальчик Ф., Калугина С.М.).
Наибольшую долю работ, проводимых в лаборатории, составляют работы, посвященные химическим источникам тока. Прежде всего, это литиевые первичные источники тока и литий-ионные аккумуляторы. Традиционно значительная часть работ посвящена изучению процессов, происходящих на литиевом электроде, а именно - коррозии и свойствам поверхностных пленок, образующихся на поверхности лития. Разработаны и предложены модели формирования этих пленок и переноса через них заряда, что позволяет предсказывать поведение системы при длительном хранении (Галеева А.К.).
В области литий-ионных аккумуляторов проводимые работы посвящены всем трем основным составным частям аккумулятора - катодному материалу, анодному материалу и твердому электролиту. Разработаны два новых метода синтеза модифицированного железофосфата, при помощи которых получается материал, имеющий требуемую кристаллическую структуру и высокие разрядные характеристики (Трусов И., Турганулы Р., Сивохин В.). Синтезированы новые твердые полимерные электролиты, которые представляют собой композиты с проводимостью 5х10-3 Ом-1 . см-1 (Николаева Е.С.). Разработка материалов для литий-ионных аккумуляторов проводятся в рамках грантов МОН РК и по заказу АО НАК «КазАтомПром». В области исследования анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов проводится изучение процессов интеркаляции катионов лития в композиционные материалы на основе графита (Лепихин М.С.) и фундаментальных закономерностей самого процесса интеркаляции, причем не только с экспериментальной точки зрения, но и с привлечением квантово-химических расчетов.
По заказу Талдыкорганского завода свинцовых аккумуляторов в лаборатории разрабатывался ингибитор коррозии для сухозаряженного свинцового аккумулятора, который позволяет заменять дефицитный и дорогой ингибитор – α-оксинафтойную кислоту на этом заводе. Кроме этого, изучались также возможности повышения устойчивости решеток свинцовых аккумуляторов путем введения в электролит соответствующих добавок, участвующих в электрохимическом процессе (Кобжанов А.С., Садырбакиев Р.)
Начаты также работы по изучению процессов, разработке электродов и отработки технологий их формирования для топливных элементов. Прежде всего, это газодиффузионные электроды и каталитические добавки для восстановления кислорода на них.
Проводится отработка процесса определения окислителей в реакциях или при производстве, когда концентрация этого окислителя постоянно меняется. Такая проблема родилась в рамках гранта МОН РК и задач АО НАК «КазАтомПром» по синтезу окислителя в растворах серной кислоты в проточном электролизере и развилась в более широкое направление аналитического определения окислителей не только на основе перекисных соединений, но и на основе хлора, гипохлорита, хлората и т.д. (Калугина С.М., Мальчик Ф.). Еще одна подобная работа выполняется по договорам с Центром противоинфекционных препаратов (г.Алматы) по изучению реакций, происходящих в лекарственных препаратах на основе йода (Калугина С.М., Галеева А.К.).
Еще одной традиционной темой, которой занимается лаборатория технологии электрохимических производств, является разработка новых электродов для проведения электрохимических процессов. В этом направлении наиболее значимым и актуальным для Казахстана результатом является разработка модифицированного метода получения окисно-рутениевых электродов с добавками новых компонентов, позволяющих продлить срок службы этого электрода (Лепихин МС, Давыдченко Д.). Эта работа выполнялась в соответствии с потребностью ГКП «Горводоканал» города Алматы.

Проект МОН РК 2018-2020 «Исследование природы неудовлетворительной циклируемости металлических литиевых анодов аккумуляторов» (ИРН AP05132488)

Актуальность: Проект направлен на развитие фундаментальных представлений о процессах переноса заряда в коррозионных плёнках на литии с целью увеличения эффективности его циклирования и нахождения путей борьбы с образованием дендритов в катодном процессе.

Цель проекта: Выявление влияния неоднородности коррозионной пленки и других ее свойств на процессы переноса заряда через нее и формирование дендритов лития при циклировании.

Достигнутые результаты:

1. Предложена теоретическая модель для описания коррозионного процесса, основанная на предположении, что вся свободная энергия химической реакции в коррозионном процессе тратится на перенос реагента.

2. Полученные в работе результаты имеют фундаментальный характер и могут быть использованы в процессе практических разработок литиевых высокоэнергетических систем. В частности, при создании литий-ионных аккумуляторов с металлическим литием анода.

3. Предложенные в результате выполнения работы интерпретации закономерности переноса заряда и диффузионных процессов при формировании коррозионных пленок, а также количественная модель коррозионного процесса носят глубоко фундаментальный характер и не имеют аналогов.

Команда проекта:

1) Руководитель проекта - д.х.н., профессор Курбатов А.П.; ResearchID GoogleScholar ORCID M-6232-2019

2) PhD Лепихин М.С.; ResearchID

3) PhD, к.х.н., ассоц.проф. Галеева А.К.; ResearchID ORCID

4) Магистр Кохметова С.Т.; ResearchID ORCID

5) Кан Т.В.; ORCID

6) Жигаленок Я.С.

Cписок публикаций:

1) Ainaz K. Abildina 1, Akmaral M. Argimbayeva 1, Andrey Kurbatov Study of Polarization Characteristics of Corrosion Films on Magnesium in  Sulfate-Containing Electrolytes // Appl. Sci. 2020, 10, 1406; doi:10.3390/app10041406.

2) К 93 Коррозионные процессы на литии: моногрaфия / А.П. Курбатов. – Алмaты: Қaзaқ университеті, 2020. – 180 стр. ISBN 978-601-04-4445-4

3) Жигаленок Я.С. Аметов А.А. Кохметова С.Т., Галеева А.К. Исследование переноса заряда в литиевых коррозионных пленках, образованных в растворах LiClO4 в смеси ПК/ДМЭ // Химический журнал Казахстана 2020. – Т2. – С.161-169

Информация для потенциальных пользователей:

Применение полученных научных результатов предполагается в сфере производства литий-ионных аккумуляторов, а целевым потребителем могут выступать компании, заинтересованные в получении электрической энергии из возобновляемых ресурсов.

Проект МОН РК 2018-2020 «Новые интеркаляционные материалы для натрий-ионных батарей» (ИРН AP05131849)

Актуальность. Бурное развитие рынка литий-ионных аккумуляторов, ограниченность запасов лития и его дороговизна ставит задачу замены его, особенно в крупногабаритных аккумуляторах на натрий.

Цель проекта: синтез и испытания новых электродных материалов для натрий ионных аккумуляторов.

Достигнутые результаты:

- Были синтезированы материалы с катионным замещением K(2-x)NaxMn2(SO4)3 (х = 0; 0,5; 1,0; 1,3; 1,4) структуры лангбейнита. Было установлено, что структура лангбейнита сохраняется при х ≤ 0, при дальнейшем замещении катиона калия на натрий происходит появления примесных фаз. Электрохимическое замещение катиона калия на катионы натрия в материале K2Mn2(SO4)3, также, как и интеркаляция-деинтеркаляция натрия в замещенных образцах не происходит.

- Были синтезированы материалы с анионным замещением NaFe(SO4)1,5(A)0,5, где A – SO4, SeO4, HPO4, PO3F. Методом рентгенофазового анализа показана идентичность кристаллической структуры всех четырех видов образцов вне зависимости от замещающего аниона. Дополнительные исследования нейтронографии подтверждают успешное включение допантов. Разрядные емкости материалов NaFe(SO4)1,5(A)0,5, где A – SO4, SeO4, HPO4, PO3F, составили 63, 45, 39, 39 мАч/г, соответственно, при токе 0,1С на первом цикле. Были определены кинетические параметры процессов интеркаляции-деинтеркаляции.

- Был определен оптимальный способ нанесения электропроводящего слоя на поверхность синтезированных катодных материалов. Было изучено влияние природы электропроводящих добавок на кинетические и емкостные показатели катодного материала NaFe(SO4)2 для натрий-ионного аккумулятора.

- Были изготовлены макеты аккумуляторов «pouch cell» из катодных материалов NaFe(SO4)2 и NaFe(SO4)1,5(PO3F)0,5 с практической емкостью 60 и 40 мАч/г при токе 0,1С.

Команда проекта:

1. Руководитель проекта - д.х.н., профессор Курбатов А.П.; ResearchID GoogleScholar ORCID M-6232-2019 (publons)

2. Ответственный исполнитель – магистр Кохметова С.Т.; ResearchID ORCID

3. PhD Мальчик Ф.И.; ResearchID  GoogleScholar ORCID ResearchGate

4. PhD Трусов И.А.; ResearchID ORCID

5. Магистр Высоцкая А.В.;

6. Кан Т.В.; ORCID

7. Нұрахмет Е.

Cписок публикаций:

1. Ivan A Trussov, Saule T Kokhmetova; Laura L Driscoll, Ronald Smith, Frank J Berry, José F Marco, Alina K Galeyeva, Andrey P Kurbatov, Peter R Slater. Synthesis, structure and electrochemical performance of Eldfellite, NaFe(SO4)2, doped with SeO4, HPO4 and PO3F //  Journal of Solid State Chemistry 289 (2020) 121395 doi.org/10.1016/j.jssc.2020.121395.

2. А.А. Шепетов, Я.С. Жигаленок, С.Т. Кохметова, А.К. Галеева, А.П. Курбатов Разработка катодного материала со структурой лангбейнита для натрий-ионных аккумуляторов // Химический журнал Казахстана 2020. – Т 2. – С.240-247.

Информация для потенциальных пользователей:

Потребителями полученных результатов являются все исследователи, занимающиеся проблемой высокоэнергетических источников тока.

Проект МОН РК 2020-2022 «Натриевые аккумуляторы для крупногабаритных накопителей энергии в возобновляемой энергетике Казахстана» (ИРН AP08856725)

Актуальность проекта: Суть проекта заключается в разработке материалов для основных частей натриевого аккумулятора на основе водного электролита (катод, анод, токоотводы, электролит) и создании на их основе нового натриевого аккумулятора c длительным сроком службы для крупногабаритных накопителей энергии.

Цель проекта:Разработка и изготовление оптимизированного прототипа натриевого аккумулятора на основе водного электролита для крупногабаритных накопителей энергии. В процессе реализации проекта планируется синтез, оптимизация, модификация и тестирование катодных и анодных материалов, подбор электролита с широким окном стабильности, подбор токоотводов.

Ожидаемые результаты:
В конце проекта ожидается представить натриевый аккумулятор на основе водного электролита (лабораторный прототип) с практической загрузкой активных компонентов. Ожидаемая циклическая стабильность батареи составит не менее 1000 циклов со снижением емкости не менее 80%. Предполагается, что созданный прототип батареи будет использован для крупногабаритных систем накопления энергии.

Достигнутые результаты:

За 2020 год были выполнены следующие работы:

1) Проведены измерения вязкости, плотности и электропроводности растворов перхлората натрия в воде в широкой области концентраций до насыщенного раствора; показана экстремальная зависимость электропроводности от концентрации перхлората натрия и монотонное возрастание динамической вязкости с ростом концентрации. Проведены расчеты параметров переноса в растворах разной концентрации.

2) Установлено влияние концентрации перхлората натрия на ширину окна потенциалов электрохимической стабильности, показано существенное его увеличение в области, близкой к насыщению.

3) Произведен выбор добавок из группы поверхностно-активных веществ различной природы.

Полученные результаты за 2021 год:

- Синтезированы и проанализированы несколько видов гексацианоферратов железа с различной структурированностью, размером частиц и электрохимическими показателями. Получены данные емкостей синтезированных материалов при различных плотностях тока, рассчитаны кинетические параметры синтезированных материалов (коэффициенты диффузии). Исходя из анализа полученных данных, выбран материал, обладающий наибольшей стабильностью, емкостью и скоростными характеристиками. В результате использования нового способа отмывки материала получен более чистый мелкодисперсный гексацианоферрат. Полученные ЦВА кривые при разной скорости развёртки показывают способность исследуемого материала к быстрому процессу разряда/заряда с малыми потерями емкости при увеличении скорости заряда.

- Синтезирован активный NaTi₂(PO₄)₃ (NTP), имеющий тонкое углеродное покрытие, сформированное в процессе карботермального разложения винной кислоты. По результатам электронной микроскопии видно, что получены агрегированные частицы NTP, состоящие из сфероподобных наночастиц d ≈ 500 нм. Полученное значение электрохимического окна стабильности, определенное на графитовой фольге, составляет 2,5 В. Определено, что синтезированный NTP обладает емкостью в 81 мАч/г, рассчитанной по результатам ЦВА при 5 мВ/c. Результаты длительного циклирования, проведенные гальваностатическим методом, свидетельствует о приемлемой стабильности материала на протяжении 150 циклов с сохранением 80 % от изначальной емкости при фарадеевской эффективности процесса 97,8 %. По результатам электрохимических испытаний определено, что полученное углеродное покрытие значительно улучшает объёмную проводимость электрода, что сказывается на повышенной емкости покрытого материала.

Публикации:

Shpigel N., Chakraborty A., Malchik F., Bergman G., Nimkar A., Gavriel B., Turgeman M., Hong C.N., Lukatskaya M.R., Levi M.D., Gogotsi Y., Major D.T., Aurbach D. Can Anions Be Inserted into MXene? // Journal of the American Chemical Society. - 2021. - Vol. 143, Is. 32. - P. 12552–12559 (Q1 WoS).

Команда проекта:

1)  Руководитель проекта – PhD Мальчик Ф.И.; ResearchID  GoogleScholar ORCID ResearchGate

2) Ответственный исполнитель – магистр Кохметова С.Т.; ResearchID ORCID

3) Профессор, д.х.н. Курбатов А.П.; ResearchID GoogleScholar ORCID M-6232-2019

4) PhD Netanel Shpigel; ResearchID GoogleScholar ResearchGate

5) PhD Трусов И.А.; ResearchID ORCID

6) Кан Т.В.; ORCID

7) магистр Высоцкая А.В.;

8) магистрант Қауыпбай О.Ш. ORCID

Информация для потенциальных пользователей: Научные результаты могут быть использованы в области производства батарей, особенно в области натриевых аккумуляторов на основе водных электролитов, которые значительно дешевле по сравнению с литий-ионными батареями. Разработанный прототип призван стать батареей для крупномасштабной станции накопления энергии, являющейся неотъемлемой частью систем переработки возобновляемых ресурсов, таких как солнечная энергия, энергия ветров, приливов, геотермальная энергия и т.д.

Проект МОН РК 2021-2023 «Гибридные электроды на основе MXene и интеркаляционного материала для сверхбыстрых накопителей энергии на основе водных электролитов» (ИРН AP09058354)

Актуальность проекта: Суть проекта заключается в создании гибридных электродов для аккумуляторов, которые обладают как емкостным, так и интеркаляционным механизмом накопления заряда, а также в исследовании фундаментальных основ работы этих электродов для оптимизации удельной мощности и плотности энергии устройства. Этот тип гибридного электрода предназначен для использования в сверхбыстрых устройствах накопления энергии. Исследования планируется проводить в Лаборатории технологии электрохимических производств Центра физико-химических методов исследования и анализа под руководством PhD Мальчика Федора Игоревича, который специализируется в области материалов для аккумулирования энергии, особенно на водной основе для Li и Na аккумуляторов.

Цель проекта: Разработка и исследование фундаментальных основ функционирования гибридных электродов на основе материала MXene с высокой удельной двойнослойной емкостной составляющей (конденсаторный материал) и добавленным быстрым фарадеевским превращением (интеркаляционный материал для батарей).

Ожидаемые результаты:
Ожидаемые результаты проекта заключаются в получении гибридного электрода, состоящего из интеркаляционного (Red/Ox) материала и материала с нефарадеевским типом накопления заряда, и в понимании влияния обоих отдельных механизмов и их синергии на удельную энергетическую плотность и мощность гибридного электрода (гибридного устройства). Полученные результаты моделирования нового гибридного электрода, состоящего из конденсаторного материала MXene и Red/Ox материала, позволят глубже понять механизм накопления заряда в гибридной системе.

Полученный оптимизированный гибридный электрод также имеет потенциал для практического применения в сверхбыстрых накопителях энергии, работающих на основе водных электролитов. Благодаря прогнозируемой высокой энергии и удельной мощности гибридного электрода его можно легко комбинировать с некоторыми типами противоэлектродов для получения гибридного устройства.

Достигнутые результаты:

Результаты за 2021 год:

- Получены образцы Ti₃C₂T_х в виде деламинированной суспензии, обладающие различными поверхностными группами (T_x), благодаря использованию различных выщелачивающих компонентов. Проанализированы полученные пленки MXene с использованием различных физико-химических методов. Показано, что получена 2D структура материала, для всех синтезированных образцов, что свидетельствует о полном процессе выщелачивания выбранными выщелачивающими агентами. Подвержена структура, морфология и строение полученных образцов MXene методами РФА, СЭМ и оптической микроскопии.

- Показано, что наибольшие значения электрохимического окна стабильности электролита составляет – 2,6 В для NaClO4 (10 M) и – 2,5 В для LiCl (14 M), максимальное значение проводимости наблюдается при концентрации 6 M для NaClO₄. Показано, что катодная стабильность оптимизированного электролита 10 М NaClO₄¬ и 14 М LiCl примерно на 200 мВ меньше при использовании активного электрода MXene из-за его незначительного каталитического действия при восстановлении водорода из H₂O. Использование насыщенного электролита на основе NaCH₃COOH приводит к уменьшению анодной зоны электрохимического окна стабильности из-за подщелачивания раствора, вызванного гидролизом NaCH₃COOH.

- Показано, что образец NaTi₂(PO₄)₃, синтезированный из NaAc по сравнению с синтезом из NaHCO₃, имеет меньше примесных включений, что положительно сказывается при электрохимических испытаниях. Помол синтезированного NaTi₂(PO₄)₃ позволил значительно уменьшить размер частиц до 500 нм, размолотый NaTi₂(PO₄)₃ будет легче интегрироватья с MXene. По результатам цикловольтамперометрии для образцов NaTi₂(PO₄)₃ определена емкость (80 мАч/г) и положение де/интеркаляционных пиков.

- Показана возможность контролируемого окисления MXene c помощью кислорода воздуха (без действия дополнительных окислителей) с образованием оксида титана. Анализ результатов проведенных исследований с использованием РФА, электронной микроскопии и Рамановской спектроскопии показывает наличие TiO₂ в форме анатаза. Показана повышенная электрохимическая активность окисленного MXene по сравнению с исходным материалом из-за наличия образовавшегося TiO₂, который обладает Red/Ox активностью. Окисление Ti₃C₂T_х кислородом воздуха лимитируется стадией диффузии кислорода в растворе к поверхности Ti₃C₂T_х. Скоростные характеристики процесса заряда/разряда для гибридного электрода на основе MXene/TiO₂, определенные методом ЦВА выше значений для чистого MXene, благодаря увеличению межслойного пространства между единичными лепестками MXene «pillaring effect» из-за образовавшегося TiO₂ – более быстрый доступ электролита. Определено процентное содержание образовавшегося TiO₂ электрохимическим методом при анализе ЦВА кривых в растворах LiCl и NaClO₄. При окислении кислородом в течение 6 дней w(TiO₂) ≈ 6%. Более высокая стабильность гибридного электрода MXene/TiO₂ по сравнению с чистым TiO₂ при длительном циклировании обусловлена оболочкой MXene.

- Методом вакуумного фильтрования изготовлен гибридный электрод на основе MXene/ NaTi₂(PO₄)₃. Механическая прочность полученного электрода зависит от процентного содержания NaTi₂(PO₄)₃.

Публикации:

Подана статья:

Fyodor Malchik, Kaiyrgali Maldybayev, Tatyana Kan, Saule Kokhmetova, Andrey Kurbatov, Alina Galeyeva, Tianju Fan, Olzhas Kaupbay, Amey Nimkar, Gil Bergman, Bar Gavriel, Meital Turgeman, Netanel Shpigel. Turn Lemons into Lemonade: increasing the MXene capacity by controlled oxidation in air // Energy Storage Materials.

Команда проекта:

1) Руководитель проекта – PhD Мальчик Ф.И.; ResearchID  GoogleScholar ORCID ResearchGate

2) Магистр Кохметова С.Т.; ResearchID ORCID

3) Магистр Высоцкая А.В.;

4) Магистрант Қауыпбай О.Ш.; ORCID

5) Магистрант Жигаленок Я.С.

Информация для потенциальных пользователей:

Достигнутые научные результаты могут быть использованы в области производства батарей, особенно в области натриевых аккумуляторов на основе водных электролитов, которые значительно дешевле по сравнению с литий-ионными батареями.

Проект МОН РК 2021-2023 «Установление механизма влияния модифицирующих покрытий активного материала катодов натрий-ионных аккумуляторов на кинетику интеркаляции» (ИРН AP09260371)

Актуальность проекта: Основная масса используемых и разрабатываемых катодных материалов в металл-ионных аккумуляторах представляет собой плохо проводящую фазу, что препятствует перемещению зарядов в электрохимическом процессе. Это приводит к низким показателям мощности и к уменьшению эффективности циклирования. Для нивелирования этого эффекта широко применяется покрытие частиц электроактивного материала слоем электронного проводника, обеспечивающего доставку заряда к любой точке поверхности. Этого не всегда достаточно для решения проблемы, поскольку электрохимическое превращение при интеркаляции требует также переноса катиона и транспорта зарядов внутри фазы. В связи с этим детальное рассмотрение природы процессов при интеркаляции в плохо проводящие материалы является совершенно необходимым для повышения эффективности исследований электродных материалов.

Цель проекта: Выявление влияния свойств модифицирующего поверхностного покрытия плохопроводящих частиц катодного активного материала на процессы переноса заряда через него при обратимом интеркалировании фазы материала, а также разработка модели этого процесса и проведение его моделирования.

Ожидаемые результаты:
В конце проекта ожидается представить модель процесса интеркаляции-деинтеркаляции ионов натрия в плохопроводящие полисульфатные и полифосфатные катодные материалы для натрий-ионных батарей с участием электропроводящих покрытий. Ожидаемые результаты исследования позволят понять роль проводящих покрытий в процессах интеркаляции-деинтеркаляции натрия в катодных материалах, что в свою очередь даст возможность решить проблему плохой проводимости полианионных материалов и как следствие улучшение их емкостных показателей при высоких токах заряда-разряда. Разработка конкурентоспособных катодных материалов

Достигнутые результаты:

Результаты за 2021 год:

- Были синтезированы сульфатные и фторфосфатные катодные материалы, которые согласно данным рентгенофазового анализа представляют собой соединения требуемого состава и структуры. Было установлено влияние замещающего иона на параметры кристаллической ячейки.

- Синтезированные материалы были охарактеризованы методами цикловольтамперометрии и гальваностатическим циклированием. Было установлено, что без предварительной обработки проводящими добавками данные материалы показывают достаточно низкую электрохимическую активность, что обусловлено их плохой проводимостью.

- Была оптимизирована методика подготовки синтезированных катодных материалов к проведению электрохимических исследований. Варьируя основные параметры размола (продолжительность перемешивания, скорость, размер стакана и шаров, дисперсная среда) был получен катодный материал со средним размером частиц 1,3 μм. Были установлены оптимальные параметры процесса гомогенизации компонентов катодной смеси.

- Было установлено, что увеличение времени перемешивания компонентов катодной смеси (до 10 часов) повышает степень гомогенизации, что в свою очередь оказывает значительное влияние на электрохимические характеристики заряда и разряда, поскольку обеспечивает полноту вовлечения всех частиц в электрохимический процесс и обеспечивает достаточную мощность за счет уменьшения поляризации.

- Методом цикловольтамперометрии были определены коэффициенты диффузии и значения сопротивления синтезированных образцов.

Публикации:

Saule Kokhmetova, Tatyana Kan, Fyodor Malchik, Alina Galeyeva, Thierry Djenizian, Andrey Kurbatov. Effect of the MoS₂ surface layer on the kinetics of intercalation processes in the NaFe(SO₄)₂/C composite // Materials Today Communications. — 2021. — Vol.28, 102723 (Q2 (WoS)

Команда проекта:

1) Руководитель проекта – PhD Мальчик Ф.И.; ResearchID  GoogleScholar ORCID ResearchGate

2) Профессор, д.х.н. Курбатов А.П.; ResearchID GoogleScholar ORCID M-6232-2019

3) PhD Лепихин М.С.; ResearchID

4) Магистр Кохметова С.Т.; ResearchID ORCID

5) Магистр Высоцкая А.В.;

6) Магистр Малдыбаев К.М.; ORCID

7) Магистрант Рябичева М.А.

Информация для потенциальных пользователей:

Потребителем полученных результатов являются все исследователи, занимающиеся проблемой высокоэнергетических источников тока. Распространение результатов работ среди потенциальных пользователей, сообщества ученых и широкой общественности будет осуществляться путем участия и представления докладов в зарубежных и отечественных научных конференциях.

Проект МОН РК 2021-2023 «Синтез и исследование композита на основе металлорганического соединения (MOF) для его применения в качестве анодного материала в натрий-ионных аккумуляторах» (ИРН AP09058322)

Актуальность проекта: Для различных электронных устройств и даже электромобилей несомненным лидером в качестве поставщика энергии стали литий-ионные аккумуляторы. Однако стоимость и значимая ограниченность ресурсов лития вызывают все большую озабоченность. В связи с этим в последнее время внимание ученых переключилось на натрий-ионные аккумуляторы, механизм работы которых аналогичен LIB. При этом натрий занимает 4-е место по распространению в земной коре, стоимость прекурсоров на его основе весьма низкая, что особенно актуально для крупногабаритной техники. Однако натрий имеет гораздо больший ионный радиус, чем литий (102 пм по сравнению с 76 пм), что приводит к медленной кинетике и большим структурным изменениям в материалах электродов во время циклов интеркаляции/деинтеркаляции. Следовательно, материалы электродов для НИА должны иметь хорошо спроектированную структуру для достижения высоких электрохимических характеристик. На данный момент известен такой класс веществ, как металлорганические соединения (MOF), обладающие пористой структурой, высоким значением удельной площади поверхности и достаточной прочностью, способные заменить графит, тем самым решив перечисленные проблемы.

Цель проекта: Разработать метод синтеза MOF-композита как анодного материала с высокой электропроводностью, ёмкостью и прочностью для дальнейшего его применения в Na-ионных аккумуляторах; исследовать электрохимические процессы на нем и разработать модель переноса заряда.

Ожидаемые результаты:

- за 2021 год: будет синтезировано устойчивое металлорганическое соединение гидротермальным методом, отработана методика проведения синтеза; полученный материал будет использоваться в синтезе MOF-композитов (Zn-EDTA-Ag, Zn-EDTA-Cu) и анодной массы на его основе. По мере получения новых материалов, будут проводится исследования их электрохимических характеристик.

- за 2022 год: второй год реализации проекта посвящен углубленному изучению электрохимических параметров материала, в целях чего будут проводиться лабораторные исследования, в том числе исследование синтезированного MOF и MOF-композита в SkolTech. Написание и подача 1 статьи (или обзора) в рецензируемое научное издание по научному направлению проекта, индексируемое в Science Citation Index Expanded базы Web of Science. Написание и подача 1 статьи в издании, рекомендованном КОКСОН.

- за 2023 год: третий год реализации проекта включает исследование интеркаляционных процессов в анодном материале на основе MOF-композита, что подразумевает изучение механизма переноса заряда и кинетики переноса заряда в анодном материале на основе MOF-композита. С этой целью будут проведены соответствующие лабораторные испытания, включая испытания в лабораториях SkolTech. Написание и подача 1 статьи (или обзора) в рецензируемое научное издание по научному направлению проекта, индексируемое в Science Citation Index Expanded базы Web of Science.

По мере выполнения определенных задач будут проводиться публикация полученных результатов.

Полученные результаты за 2021 год:

- Воспроизведен синтез металлорганического соединения ZnMOF гидротермальным методом согласно ранее опубликованной методике.

- Проведен рентгенодифракционный анализ синтезированного вещества с последующим уточнением структуры по методу Ритвельда, а также исследована его термическая стабильность.

 - Получен анодный композит на основе ZnMOF и проводящей добавки (TIMICAL SUPER C45).

- Исследованы электрохимические процессы интеркаляции/деинтеркаляции катионов в структуру полученного материала с применением высококонцентрированных электролитов на основе солей натрия и калия. Обнаружено, что щелочные электролиты вызывают деструкцию синтезированного материала, тогда как в насыщенном растворе перхлората натрия продемонстрирована его стабильность.

- Определены эффективные коэффициенты диффузии методом циклической вольтамперометрии, которые показывают высокую подвижность ионов натрия в твердой фазе.

Публикации:

Подана статья:

Rubanova A.A., Shiyanova R.A., Zhigalenok Ya.S., Trussov I.A., Galeyeva A.K., Kurbatov A.P. Electrochemical Behavior of Zn₂(EDTA)(H₂O) Used as an Electrode Material // Eurasian Chemico-Technological Journal.

Команда проекта:

1) Руководитель проекта – PhD Трусов И.А.; ResearchID ORCID

2) PhD Рахымбай Г.С.; ScopusID ORCID

3) PhD Лепихин М.М.; ResearchID

4) Магистрант Жигалёнок Я.С.;

5) Бакалавр Шиянова Р.А.;

6) Бакалавр Рубанова А.А.

Информация для потенциальных пользователей: Предлагаемые нами МОF-композиты (Zn-EDTA-Cu, Zn-EDTA-Ag) могут быть использованы для изготовления анодного материала с высокой ёмкостью, который не будет разрушаться спустя сотни циклов и при подаче большой силы тока

Проект МОН РК 2021 «Роль поверхностных электропроводящих покрытий катодных материалов натрий-ионных аккумуляторов в процессах переноса заряда» (ИРН AP09563408)

Актуальность проекта:

Ранее при выполнении исследований по созданию катодных материалов для литий-ионных (ЛИА) и натрий-ионных аккумуляторов (НИА) мы неоднократно сталкивались с проблемой нанесения проводящего слоя и чаще всего следовали методике, разработанной теми или иными исследователями. При этом ключевой вопрос теории переноса заряда в таких материалах оставался открытым. И если для ЛИА этот вопрос относительно изучен с теоретической точки зрения, то для НИА фактически проводится только экспериментальное копирование методов нанесения проводящих слоев, разработанных для ЛИА. В данном проекте предполагается исследовать влияние электропроводящих покрытий катодного материала натрий-ионного аккумулятора на его кинетические и емкостные показатели, а также выявить механизм переноса заряда в катодном композите.

Цель проекта: выявление механизма переноса заряда при интеркаляции/деинтеркаляции натрия в катодных материалах, модифицированных путем нанесения электропроводящих поверхностных покрытий на частицы исходного вещества, и определение влияния природы электропроводящих добавок на характеристики катодных композитов натрий-ионных аккумуляторов.

Ожидаемые результаты:

- Будут получены новые катодные композиты на основе NaFe(SO₄)₂ и проводящих добавок (MoS₂ и графит) и разработана методика их получения.

- Будет предложен механизм переноса заряда в катодных композитах на базе полиоксоанионных соединений и электронопроводящих добавок.

- Будет подана статья в рецензируемое научное издание по научному направлению проекта, входящее в 1 (первый), 2 (второй) либо 3 (третий) квартиль в базе Web of Science и (или) имеющее процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти).

Достигнутые результаты:

- Получен новый катодный композит на основе NaFe(SO₄)₂ и проводящей добавки (MoS₂) и разработана методика его получения.

- Предложен механизм процесса интеркаляции в катодных композитах на базе полиоксоанионных соединений и электронопроводящих добавок.

- Разработана одночастичная математическая модель в программном обеспечении COMSOL Multiphysics для описания процесса переноса заряда при интеркаляции в системах с промежуточным покрытием катодного материала электропроводящей добавкой и прямом контакте углеродной частицы и катодного материала.

- Расчетными методами обнаружен экстремальный ход зависимости концентрации интеркалята от толщины покрытия, что является подтверждением предложенного выше механизма переноса заряда.

- Проведено исследование поведения модели при различных параметрах проведения процесса: потенциостатический, гальваностатический, различные плотности тока, различные значения проводимости промежуточной фазы.

Команда проекта:

1) Руководитель проекта – к.х.н., ассоц.проф. Галеева А.К.; ResearchID ORCID

2) Магистрант Жигалёнок Я.С.;

3) Бакалавр Рубанова А.А.

Информация для потенциальных пользователей:

В данном проекте предполагается исследовать влияние электропроводящих покрытий катодного материала натрий-ионного аккумулятора на его кинетические и емкостные показатели, а также выявить механизм переноса заряда в катодном композите.

Проект МОН РК 2021 «Разработка анодных материалов на основе аналогов берлинской лазури для натриевых водных аккумуляторов» (ИРН AP09563217)

Актуальность проекта:

В настоящее время многообещающие результаты были получены с новым поколением материалов для электродов батарей на основе недорогого пигмента, широко известного как берлинская лазурь. Почти все представители серии берлинская лазурь (Prussian Blue) относительно дешевы (учитывая цену на прекурсоры, состоящие из распространенных элементов (C, N, Fe и другие переходные металлы), способы их синтеза просты (из водных растворов и без термической обработки). Большинство аналогов берлинской лазури можно использовать в водных электролитах, что также снижает конечную стоимость аккумуляторной системы и повышает безопасность (плотность энергии должна быть тщательно просчитана), а также значительно увеличивает скорость работы системы за счет высокой проводимости водных растворов. Несмотря на внушительное количество представителей берлинской лазури, в литературе недостаточно информации о влиянии металла на формальный/равновесный потенциал материала, что напрямую определяет напряжение батареи. Существует 3 различных вида металлов в составе гексацианометаллатов (Me´Me´´[Me´´´(CN)₆∙хH₂O]) и все они определяют формальный потенциал соединения. Так как Me´ является интеркаляционным металлом и в основном щелочным, его влияние на формальный потенциал пренебрежимо мало и предсказуемо. С другой стороны, Me´´ и Me´´´ – это в основном переходные металлы, которые оказывают сильное влияние на формальный потенциал. На сегодняшний день не существует полной литературы, содержащей информацию обо всех стандартных/формальных потенциалах существующих аналогов берлинской лазури, но существует возможность вычислить эти значения на основе методов аналитической электрохимии и с использованием уравнения Нернста.

Цель проекта: разработка, синтез и оптимизация анода с высокой емкостью на основе семейства гексацианометаллатов для натриевых водных аккумуляторов, который может быть использован в сверхбыстрых и энергоемких накопителях энергии.

Ожидаемые результаты:

Ожидается получение анодного материала для натриевых водных аккумуляторов, состоящего из оптимизированного гексацианометаллата с низким значением стандартного потенциала. Ожидается, что анод будет стабильным в водной среде за счет его оптимизации в процессе синтеза и использования высококонцентрированных электролитов.

Основываясь на результатах исследований, мы планируем опубликовать не менее 1 (одной) статьи, опубликованной, принятой в печать или поданной в рецензируемое научное издание по научному направлению проекта, входящее в 1 (первый), 2 (второй) либо 3 (третий) квартиль в базе Web of Science и (или) имеющее процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти).

Достигнутые результаты:

- показана возможность использования гексацианоферрата серебра в качестве анодного материала Ag₄[Fe(CN)₆] для натрий-ионных батарей;

- определено, что обратимая реакция относиться к конверсионной реакции превращения Ag₄[Fe(CN)₆];

- предложен метод стабилизации материала при электрохимическом циклировании, который заключается в добавлении соли железа (FeCl₃), ионы которой связывают растворяющийся гексацианоферрат и оставляют его на поверхности электрода;

 - показана высокая стабильность исследуемого материала при длительном циклировании, материал обладает средней емкостью в 58 мАч/г на протяжении 500 циклов заряда/разряда при токе 200 мАч/г.

Команда проекта:

1) Руководитель проекта – PhD Мальчик Ф.И.; ResearchID  GoogleScholar ORCID ResearchGate

2) магистр Малдыбаев Кайыргали; ORCID

3) магистрант Қауыпбай О.Ш. ORCID

Информация для потенциальных пользователей:

Полученный оптимизированный анод будет иметь потенциал для практического применения в сверхбыстрых накопителях энергии, работающих на основе водных растворов. Благодаря прогнозируемой высокой удельной емкости и мощности анода, его можно легко комбинировать с некоторыми типами катодов для изготовления аккумуляторов с быстрыми зарядно/разрядными характеристиками, которые могут быть использованы для крупногабаритных энергетических систем.

1) A.P. Kurbatov, F.I. Malchik, A.K. Galeyeva,  D.S. Davydchenko, A.K. Rakhimova, M.S. Lepikhin, D. Kh. Kamysbaev Chemical Oxidation of  LiFePO₄ in Aqueous Medium as a Method for Studying of  Delithiation // Russian journal of Electrochemistry. – 2018. – Vol.54 - № 3. Р.259-268.

2) A. Galeyeva, A.P. Kurbatov, F. Malchik The components of the LiFePO₄/C electrode polarization // Electrochemistry at Nano-interfaces: Faraday Discussion , 26 - 28 June 2018, Bath, United Kingdom. – 2018.- Р.46.

3) Girish D. Salian, Chrystelle Lebouin, A. Galeyeva, A.P. Kurbatov, Thierry Djenizian Electrodeposition of polymer electrolyte into porous LiNi_0.5Mn_1.5O₄ for high performance all-solid-state microbatteries // Frontiers Chemistry Editorial. – 2019. – V.6. – P. 1-6 (IF=4,155 – Tomson Reuters, Scopus).

4) Е.К. Тусеева, Т.Л. Кулова, А.М. Скундин, А.К. Галеева, А.П. Курбатов. Влияние температуры на поведение электродов из феррофосфата лития // Электрохимия, 2019. – Т.55. -№ 2. – С.329-334.

5). V.V. Pavlenko, Q. Abbas, P. Przygocki, T. Kon’kova, Zh. Sapiyeva, N. Abeykoon, N. Prikhodko, M. Bijsenbayev, A. Kurbatov, Z.A. Mansurov. Temperature Dependent Characteristics of Activated Carbons from Walnut Sheils for Improved Supercapacitor Performance // Eurasian Chemico-Technological Journal 2018 г., V.20, P. 99 – 105.

6) Е.К. Тусеева, Т.Л.Кулова, А.М. Скундин, А.К. Галеева, А.П. Курбатов Влияние толщины активного слоя  на характеристики  электродов из феррофосфата лития //Электрохимия 2019. – Т.55. -№ 2. – С.335-340.

7) V.A.Sugiavati, F. Vacandio, C.Perrin-Pellegrino, A. Galeyeva, A. P. Kurbatov, Thierry Djenizian³ Sputtered Porous Li-Fe-P-O Film Cathodes Prepared  by Radio Frequency Sputtering for Li-ion Microbatteries //Scientific reports 2019. – P.1-12

8) Ivan A Trussov, Saule T Kokhmetova; Laura L Driscoll, Ronald Smith, Frank J Berry, José F Marco, Alina K Galeyeva, Andrey P Kurbatov, Peter R Slater. Synthesis, structure and electrochemical performance of Eldfellite, NaFe(SO₄)₂, doped with SeO₄, HPO₄ and PO₃F //  Journal of Solid State Chemistry 289 (2020) 121395 doi.org/10.1016/j.jssc.2020.121395.

9) А.А.Шепетов, Я.С.Жигаленок, С.Т. Кохметова, А.К.Галеева, А.П. Курбатов Разработка катодного материала со структурой лангбейнита для натрий-ионных аккумуляторов // Химический журнал Казахстана  2020. – Т 2. – С.240-247.

10) Fyodor Malchik, Netanel Shpigel, Mikhael D. Levi, Tirupathi Rao Penki, Bar Gavriel, Gil Bergman, Meital Turgeman, Doron Aurbach, Yury Gogotsi. MXene conductive binder for improving performance of sodium-ion anodes in water-in-salt electrolyte // Nano Energy (2020) doi: https://doi.org/10/1016/j.nanoen.2020.105433.

11) Ainaz K. Abildina 1, Akmaral M. Argimbayeva 1, Andrey Kurbatov    Study of Polarization Characteristics of Corrosion Films on Magnesium in  Sulfate-Containing Electrolytes // Appl. Sci. 2020, 10, 1406; doi:10.3390/app10041406.

12) К 93   Коррозионные процессы на литии: моногрaфия / А.П.  Курбатов. – Алмaты: Қaзaқ университеті, 2020. – 180 стр. ISBN 978-601-04-4445-4

13) Жигаленок Я.С., Аметов А.А., Кохметова С.Т., Галеева А.К. Исследование переноса заряда в литиевых коррозионных плёнках, образованных в растворах LiClO4 в смеси ПК/ДМЭ //Химический журнал Казахстана  2020. – Т 2. – С.161-169.

14) Shpigel N., Chakraborty A., Malchik F., Bergman G., Nimkar A., Gavriel B., Turgeman M., Hong C.N., Lukatskaya M.R., Levi M.D., Gogotsi Y., Major D.T., Aurbach D. Can Anions Be Inserted into MXene? // Journal of the American Chemical Society. - 2021. - Vol. 143, Is. 32. - P. 12552–12559 (Q1 WoS).

15) Saule Kokhmetova, Tatyana Kan, Fyodor Malchik, Alina Galeyeva, Thierry Djenizian, Andrey Kurbatov. Effect of the MoS₂ surface layer on the kinetics of intercalation processes in the NaFe(SO₄)₂/C composite // Materials Today Communications. — 2021. — Vol.28, 102723 (Q2 (WoS)