Центр физико-химических методов исследования и анализа
Казахский
национальный университет
имени аль-Фараби

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

Н а у ч н ы е 
л а б о р а т о р и и 
Контакты