Установление механизма влияния модифицирующих покрытий активного материала катодов натрий-ионных аккумуляторов на кинетику интеркаляции

Проект МОН РК 2021-2023

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 для натрий-ионных батарей позволит снизить стоимость на электрохимические накопители энергии и уменьшить потребление литиевых природных источников.

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, к.х.н., ассоц.проф. Галеева А.К.;

ResearchID ORCID

4) Магистр Кохметова С.Т.;

ResearchID ORCID

5) Кан Татьяна

ResearchID ORCID

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.