Разработка анодных материалов на основе аналогов берлинской лазури для натриевых водных аккумуляторов
Проект МОН РК 2021-2022Актуальность 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;
3) магистрант Қауыпбай О.Ш.
Публикация:
Fyodor Malchik, Kaiyrgali Maldybayev, Tatyana Kan, Saule Kokhmetova, Andrey Kurbatov, Alina Galeyeva, Nufar Tubul, Netanel Shpigel and Thierry Djenizian Application of conversion electrode based on decomposition derivatives of Ag4[Fe(CN)6] for aqueous electrolyte batteries, RSC Adv., 2022, 12, 9862-9867, DOI: 10.1039/D2RA00617K I.F – 3.361; Q2; 82th percentile;
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.