К основному содержанию
20-53-56069

Российский фонд фундаментальных исследований

Завершен
Период: 2021–2023

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) занимают лидирующие позиции в сфере портативных источников энергии. Несмотря на многочисленные преимущества, ЛИА имеют и ряд недостатков, основными из которых являются дороговизна, низкая экологичность, токсичность, пожароопасность и сложность в утилизации их компонентов. Одной из причин обозначенных выше недостатков является присутствие в коммерческих образцах ЛИА жидкого органического электролита, способного к возгоранию. Помимо этого, ЛИА с жидким электролитом имеют ряд ограничений по величине рабочего потенциала вследствие необратимого окисления растворителя и потери электролита. Решением данных проблем может быть использование полимерных, в частности, гель-полимерных электролитов (ГПЭ), которые менее склонны к возгоранию и нетоксичны, а также стабильны в области высоких потенциалов. Тем не менее, ГПЭ имеют более низкие функциональные характеристики по сравнению с жидкими аналогами, а именно более низкую ионную проводимость и термическую стабильность. Кроме того, совместимость электродов ЛИА с ГПЭ пока что ниже, чем с жидкими электролитами.

В качестве ГПЭ широко применяется синтетический полимер полиэтиленоксид, который обладает относительно высокой ионной проводимостью, но из-за высокой лабильности структуры и, вследствие этого, его слабой механической устойчивости происходит рост дендритов лития, что приводит к короткому замыканию аккумулятора. Альтернативной могут быть ГПЭ, основанные на природных полимерах со стабильной структурой. В частности, целлюлоза обладает высокой кристалличностью структуры. Кроме того, она является наиболее распространенной природной макромолекулой и существует в большом количестве разнообразных форм. Похожими характеристиками обладает еще один природный полимер – крахмал. Сочетание хороших механических свойств и возможность варьирования структуры с целью улучшения свойств исходных полимеров делает возможным их применение в качестве ГПЭ для литий-ионных систем.

Целью данного проекта является разработка новых классов гель-полимерных электролитов на основе природных полимеров (целлюлозы и крахмала). Новые ГПЭ будут использованы при создании безопасных литий-ионных аккумуляторов с функциональными характеристиками, сопоставимыми с ЛИА, в которых используются жидкие электролиты. Путем модификации структур исходных полимеров различными путями (добавлением иных макромолекул, например, проводящих полимеров к исходным структурам целлюлозы и крахмала) будут достигнуты улучшенные значения электрохимических характеристик ГПЭ с сохранением их физических свойств. Фундаментальной задачей исследования является установление взаимосвязи между структурой полимерного электролита и функциональными характеристиками электродов в широком диапазоне потенциалов.

Цели проекта

  • Синтез новых типов ГПЭ на основе природных полимеров (целлюлозы и крахмала);
  • Характеризация структуры, физических и электрохимических свойств синтезированных ГПЭ;
  • Установление влияния химической структуры ГПЭ на функциональные свойства электродных материалов для ЛИА;
  • Подбор ГПЭ под определенные классы электродных материалов для ЛИА с целью обеспечения наилучшей совместимости между электродом и электролитом, и, как следствие, стабильных и высоких электрохимических характеристик ЛИА;
  • Создание безопасного ЛИА с использованием ГПЭ и без использования металлического лития.

Сотрудничество

Совместный проект РФФИ и Национального научного фонда Ирана

Данный проект выполняется совместно с иранской научной группой Мехди Салами-Каладжахи (Mehdi Salami-Kalajahi). В ходе сотрудничества синтезированные и охарактеризованные иранской стороной полимеры будут иссследованы в составе гель-полимерных электролитов в литий-ионных аккумуляторах группой под руководством Елисеевой С. Н.

https://polymer.sut.ac.ir/showcvmain.aspx?id=14 - страница Мехди Салами-Каладжахи на сайте университета Шариф (Sharif University of Technology)

Публикации 7
Janus structures in energy storage systems: Advantages and challenges
Enayati Gerdroodbar A.; Damircheli R.; Eliseeva S.N.; Salami-Kalajahi M.
Journal of Electroanalytical Chemistry, 2023, Vol. 948
2023
A review on ion transport pathways and coordination chemistry between ions and electrolytes in energy storage devices
Gerdroodbar A.E.; Alihemmati H.; Safavi-Mirmahaleh S.-A.; Golshan M.; Damircheli R.; Eliseeva S.N.; Salami-Kalajahi M.
Journal of Energy Storage, 2023, Vol. 74, Issue Part A
2023
A review on the effect of nanoparticles/matrix interactions on the battery performance of composite polymer electrolytes
Enayati-Gerdroodbar A.; Eliseeva S.N.; Salami-Kalajahi M.
Journal of Energy Storage, 2023, Vol. 68
2023
Investigation of the Effect of Poly[poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate] Addition on the Electrochemical Performance of Cellulose-Based Solid- and Gel-Polymer Electrolytes in Lithium-Ion Batteries
Safavi-Mirmahalleh S.-A.; Eliseeva S.N.; Moghaddam A.R.; Roghani-Mamaqani H.; Salami-Kalajahi M.
ACS Applied Energy Materials, 2023, Vol. 6, Issue 18, pp. 9624-9636
2023
Starch acetate and carboxymethyl starch as green and sustainable polymer electrolytes for high performance lithium ion batteries
Hadad S., Hamrahjoo M., Dehghani E., Salami-Kalajahi M., Eliseeva S.N., Moghaddam A.R., Roghani-Mamaqani H.
Applied Energy, 2022, Vol. 324
2022
Cellulose-based solid and gel polymer electrolytes with super high ionic conductivity and charge capacity for high performance lithium ion batteries
Hadad S., Hamrahjoo M., Dehghani E., Salami-Kalajahi M., Eliseeva S.N., Moghaddam A.R., Roghani-Mamaqani H.
Sustainable Materials and Technologies, 2022, Vol. 33
2022
Semi-interpenetrated polymer networks based on modified cellulose and starch as gel polymer electrolytes for high performance lithium ion batteries
Hadad S., Hamrahjoo M., Dehghani E., Salami-Kalajahi M., Eliseeva S.N., Roghani-Mamaqani H.
Cellulose, 2022, Vol. 29, pp. 3423-3437
2022
Показано 1-7 из 7 публикаций
Руководитель проекта
Елисеева Светлана Николаевна

Руководитель проекта

К.х.н., доцент, науч. сотр.

Информация о проекте
Длительность
Статус
Завершен
Источник финансирования
Российский фонд фундаментальных исследований
Научная группа