РФФИ-БРФФИ №20-53-04010

(2021-2023)

В связи с растущим потреблением электрической энергии требования, предъявляемые к энергозапапсающим устройствам, становятся все более жесткими: меньшая масса, большая энергия, высокая стабильность при циклировании, повышенная мощность и т.д. Чтобы соответствовать вызовам времени, разрабатываются новые электродные материалы.

На сегодняшний день коммерчески пригодных анодных материалов к применению имеется не так много: графит и титанат лития (Li4Ti5O12). Теоретическая удельная емкость первого составляет 372 мАч/г, которая резко снижается при увеличении токов заряда-разряда, в особенности при работе в условиях отрицательных температур. Титанат лития не имеет таких недостатков, но его удельная емкость меньше (175 мАч/г), а разрядное напряжение выше (1,55 В).

Одними из наиболее перспективных исследуемых анодных материалов являются оксиды переходных металлов, теоретические емкости которых сильно выше, чем для графита: CoO - 716 мАч/г, Co3O4 - 890 мАч/г, Fe3O4 - 924 мАч/г. Реально полученные значения достигают теоретических только на низких скоростях заряд-разряда и только в сложных композитных электродах, требующих особых условий получения. Наночастицы оксидов синтезируют следующими методами: химическая конденсация, пиролиз, осаждение из коллоидных растворов, гидротермальный способ и т.д.. Результатом являются частицы размером более 20 нм. А чем больше удельная поверхность материала, тем лучшие характеристики он способен продемонстрировать.

С другой стороны для синтеза ультрамалых наноматериалов (размером до 10 нм) известен плазмохимический синтез и его разновидность - низкотемпературный плазменный электролиз (НТПЭ), который дает возможность достаточно гибко контролировать состав, размер и морфологию частиц. В результате получаются стабильные коллоидные растворы, которые можно непосредственно (без предварительного высушивания) использовать для приготовления электродов, что уменьшит долю агломерированных частиц и улучшит электрохимические характеристики.

Метод низкотемпературного плазменного электролиза (НТПЭ) хорошо показал себя для синтеза наноразмерных металлов, сплавов, оксидов, нитридов, карбидов и прочих неорганических соединений и только недавно начал применяться для синтеза органических соединений (в частности, для полимеризации допамина или металл-органического полимера HKUST-1).

Целью данного исследования является создание композитов оксидов переходных металлов, синтезированных низкотемпературным плазменным электролизом, с электропроводящими полимерами для применения в энергозапасающих устройствах - аккумуляторах и суперконденсаторах. В ходе реализации проекта будет изучено поведение плазменного разряда над жидкостью, содержащей мономеры электропроводящих полимеров; осуществлены попытки получения композитов полупроводников с одновременной электрохимической полимеризацией электропроводящих полимеров на их поверхности или в толще раствора в процессе низкотемпературного плазменного электролиза; изготовлены композиты полупроводников с электропроводящими полимерами методом полимеризации мономеров в коллоидном растворе после НТПЭ химически или электрохимически (в различных режимах). Будет оптимизирована процедура приготовления композитных материалов, что позволит в дальнейшем масштабировать ее для промышленного применения.