Синтез и исследование композита на основе металлорганического соединения (MOF) для его применения в качестве анодного материала в натрий-ионных аккумуляторах
Проект МОН РК 2021-2023
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.;
2) PhD Рахымбай Г.С.;
3) PhD Лепихин М.М.;
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.