Разработка энергоемких анодных материалов на основе проводящих металл-органических соединений (MOF) для металл-ионных аккумуляторов
Актуальность проекта: Как для литиевых, так и для натриевых аккумуляторов существует ряд проблем и требований, обусловленных постоянно расширяющимися областями их применения. Общий смысл научных изысканий сводится к поиску новых материалов для изготовления компонентов батареи, в частности – электродов, обладающих повышенной плотностью энергии, длительной циклируемостью и т.п. В данном проекте будет разработан метод синтеза новых анодных материалов для ЛИА и НИА на основе Mn2(DSBDC) и М2(DOBDC) (M = Mg, Mn, Zn). Благодаря большой площади поверхности (816-1495 м2/г) и наличию электрохимически активных центров, обусловленных π-π сопряжением в бензольном кольце и -COO- группе, полученные электроды будут обладать как емкостным, так и интеркаляционным механизмами накопления заряда, что позволит оптимизировать удельную мощность и плотность энергии устройства. Выбранная группа материалов при детальном исследовании и понимании процесса накопления заряда в них будет являться перспективной заменой коммерциализованным продуктам и должна превзойти используемые их по удельным емкости и мощности.
Цель проекта: разработка и исследование новых анодных материалов на основе металл-органических соединений (MOF), обладающих собственной проводимостью, с высокой удельной емкостью, мощностью и стабильностью. Такие электроды будут служить основой для создания энергоемких металл-ионных аккумуляторов.
Задачи проекта
1. Синтез металл-органических соединений Mn2(DSBDC), М2(DOBDC) (M = Mg, Mn, Zn).
2. Изучение структуры и проведение цикловольтамперометрических исследований синтезированных соединений.
3. Оптимизация способа изготовления электрода.
4. Гальваностатические исследования Mn2(DSBDC), М2(DOBDC) (M = Mg, Mn, Zn).
Основные члены проекта:
Галеева Алина Кулбаевна, руководитель проекта, PhD, СНС ЦФХМА, к.х.н. декан факультета химии и химической технологии, КазНУ им. аль-Фараби
Лепихин Максим Сергеевич, PhD, СНС ЦФХМА, КазНУ им. аль-Фараби
Мальчик Федор Игоревич, СНС, PhD, заведующий лабораторией технологии электрохимических производств ЦФХМА, и.о. доцента кафедры аналитической, коллоидной химии и технологии редких элементов, КазНУ им. аль-Фараби
Кохметова Сауле Талгатовна, научный сотрудник ЦФХМА, КазНУ им. аль-Фараби
Трусов Иван Александрович, PhD, ЦФХМА, КазНУ им. аль-Фараби, научный сотрудник
Кайыргали Малдыбаев Муратулы, младший научный сотрудник, докторант 1-го курса факультета химии и химической технологии, КазНУ им. аль-Фараби
Жигаленок Ярослав Святославович, младший научный сотрудник, докторант 1-го курса факультета химии и химической технологии, КазНУ им. аль-Фараби
Рубанова Алена Анатольевна, стажер-исследователь, магистрант, КазНУ им. аль-Фараби
Используемые методы:
– Структура полученных веществ будет подтверждена с помощью рентгенодифракционного анализа (XRD) с последующим уточнением структуры по методу Ритвельда. Для идентификации функциональных групп образцов будут проведены исследования с помощью ИК- спектроскопии. Микроструктура и морфология поверхностей будут изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии. Окна термической стабильности будут определены с помощью термогравиметрического анализа (TGA). Удельная поверхность и размер пор будут охарактеризованы методом БЭТ.
– Для изготовления электрода полученные материалы будут предварительно размолоты с использованием планетарной мельницы. Размер частиц после измельчения будет определяться с помощью лазерного анализатора (Horiba 960 LA).
– Электроды будут изготовлены по стандартной методике с использованием техники намазывания с помощью «doctor blade».
– С помощью электрохимических методов (GITT, импедансная спектроскопия) будет подобрано оптимальное соотношение компонентов электродной массы – проводящей добавки, связующего вещества и активного компонента. Также будет показана возможность применения синтезированных материалов в качестве «free standing» электродов – без использования проводящей добавки.
Электрохимические характеристики электродных материалов будут оцениваться с помощью циклической вольтамперометрии (ЦВА), гальваностатического циклирования в 3-х электродной ячейке.
Ожидаемые результаты проекта
1) Анодные материалы на основе металл-органических соединений, которые будут обладать высокой удельной емкостью, мощностью и стабильностью.
2) Оптимизированный метод синтеза предлагаемых MOF и способ изготовления анода на их основе для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов.
3) Механизм переноса заряда в системе электрод-пассивационный слой (SEI)-электролит в предлагаемых анодных материалах на основе MOF.
4) Основываясь на результатах исследований, мы планируем опубликовать:
- не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти);
- либо не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), и не менее 1 (одного) патента, включенного в базу данных Derwent Innovations Index (Web of Science, Clarivate Analytics);
- а также не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН;
- либо не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, входящих в 1 (первый) и (или) 2 (второй) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 65 (шестидесяти пяти);
- либо не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом научном издании, входящем в 1 (первый) или 2 (второй) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющем процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 65 (шестидесяти пяти), и не менее 1 (одного) патента, включенного в базу данных Derwent Innovations Index (Web of Science, Clarivate Analytics);
- либо не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом научном издании, входящем в 1 (первый) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющем процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 80 (восьмидесяти)
- либо не менее 1 (одной) статьи или обзора в рецензируемом научном издании, входящем в 1 (первый) или 2 (второй) квартиль по импакт-фактору в базе Web of Science и (или) имеющем процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 65 (шестидесяти пяти), и акта внедрения;
- либо не менее 2 (двух) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти), и акта внедрения.
Достигнутые результаты за 2022 год:
– разработана методика синтеза и получены металл-органические соединения Mn2(DSBDC), М2(DOBDC) (M = Mg, n, Zn);
– разработана методика синтеза путем оптимизации при варьировании условий синтеза;
– проведено изучение структуры синтезированных металл-органических соединений М2(DOBDC) (M = Mg, Mn, Zn) с применением РФА, ИК, ТГА, СЭМ.
Информация для потенциальных пользователей:
Исследуемые в проекте анодные материалы имеют потенциально успешную перспективу их применения в металл-ионных источниках тока. Ожидается, что данные материалы будут иметь значения емкости и кулоновской эффективности в несколько раз превышающие таковые в традиционных накопителях энергии.
E-mail – alinex@bk.ru
Тел: +77055550932