Гибридные электроды на основе MXene и интеркаляционного материала для сверхбыстрых накопителей энергии на основе водных электролитов
Проект МОН РК 2021-2023Актуальность 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 Ti3C2Tх в виде деламинированной суспензии, обладающие различными поверхностными группами (Tx), 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 Ti3C2Tх кислородом воздуха лимитируется стадией диффузии кислорода в растворе к поверхности Ti3C2Tх. 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:
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 //
Команда проекта:
1) Руководитель проекта – PhD Мальчик Ф.И.;
ResearchID GoogleScholar ORCID ResearchGate
2) PhD Лепихин М.С.;
3) Магистр Кохметова С.Т.;
4) Магистрант Қауыпбай О.Ш.;
5) Магистрант Жигаленок Я.С.
6) Магистр Киятова М.
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.