Натриевые аккумуляторы для крупногабаритных накопителей энергии в возобновляемой энергетике Казахстана
Проект МОН РК 2020-2022Актуальность 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.;
3) Профессор, д.х.н. Курбатов А.П.;
ResearchID GoogleScholar ORCID M-6232-2019
4) PhD Netanel Shpigel;
ResearchID GoogleScholar ResearchGate
5) Магистр Малдыбаев К.М.;
6) Кан Т.В.;
7) Рубанова А.А.
8) магистрант Қауыпбай О.Ш.
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.