Проект МОН РК 2021-2023 «Гибридные электроды на основе MXene и интеркаляционного материала для сверхбыстрых накопителей энергии на основе водных электролитов» (ИРН AP09058354)

Актуальность 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 Ti₃C₂T_х в виде деламинированной суспензии, обладающие различными поверхностными группами (T_x), 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 Ti₃C₂T_х кислородом воздуха лимитируется стадией диффузии кислорода в растворе к поверхности Ti₃C₂T_х. 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:

Подана статья:

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 // Energy Storage Materials.

Команда проекта:

1) Руководитель проекта – PhD Мальчик Ф.И.; ResearchID  GoogleScholar ORCID ResearchGate

2) Магистр Кохметова С.Т.; ResearchID ORCID

3) Магистр Высоцкая А.В.;

4) Магистрант Қауыпбай О.Ш.; ORCID

5) Магистрант Жигаленок Я.С.

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.