Аннотация

Композитные электроды металл-ионных батарей состоят, как правило, из активного материала, проводящей добавки, которая обеспечивает электропроводность, и непроводящего полимера, который склеивает все компоненты вместе. Вся эта система пронизана сетью пор, в которых находится электролит. Таким образом, композиты обладают сложной пористой структурой с взаимопроникающими друг в друга фазами и неясной площадью контакта между каждой парой фаз. В таких сложных системах может возникать проблема адгезии компонентов (т.е. не обеспечивается оптимальный межфазный ионный и электронный транспорта между электролитом, активным материалом и проводящей добавкой), что приводит к ухудшению производительности аккумулятора. В результате, скорость переноса заряда в современных металл-ионных аккумуляторах может быть ограничена адгезионными характеристиками компонентов в композитном электроде. Альтернативные композитные электродные материалы, содержащие ион- и электрон-проводящие связующие, являются объектом детального изучения последние годы, так как обладают улучшенными адгезивными характеристиками, электронной и ионной проводимостью, а также более однородны по сравнению с традиционными составами. Поэтому разработка новых композитных составов является весьма важной задачей, которая, к сожалению, зачастую решается эмпирическим перебором компонентов и составов. Развитие теоретических представлений о процессах переноса ионов и электронов в функциональных связующих и между ними и активным материалом электрода могло бы пролить свет на то, как упростить работу по поиску оптимальных составов связующих с наиболее подходящими свойствами. Тем не менее, до сих пор отсутствуют модели и подходы, адекватно описывающие механизм взаимодействия связующих с активным материалом и между собой. Целью проекта является разработка теоретической модели, описывающей ионную и электронную проводимость в сложных электродных композитах, а также адгезию между компонентами. Модель будет учитывать взаимодействие многофункциональных связующих с кристаллической фазой активного материала и особенности переноса заряда в них и между ними, следовательно, обеспечит возможность проводить подбор оптимальных комбинаций состава связующего и активного материала путём численного эксперимента и, тем самым, позволит уменьшить трудозатраты на поиск оптимального состава электродной композиции. Экспериментальная часть исследования будет включать исследование набора полимерных связующих электрохимическими методами, такими как спектроскопия электрохимического импеданса (EIS), циклическая вольтамперометрия (CV), гальваностатический заряд-разряд (GCD), метод гальваностатического прерывистого титрования (GITT) и метод потенциостатического прерывистого титрования (PITT) и электрохимической микрогравиметрии на кварцевом пъезоэлектроде (EQCM). Далее будет построена математическая модель полимерного связующего, учитывающая поляронную проводимость в электронопроводящем компоненте и удовлетворительно описывающая их квазиравновесный отклик (PITT, GITT) и неравновесный отклик (CV, EIS). Морфология образцов будет исследована сканирующим электронным микроскопом SEM. Полученные из экспериментального исследования и моделирования параметры будут использованы как входные данные для теоретической модели всего композитного электрода. Во второй серии экспериментов из протестированных и промоделированных связующих будут изготовлены композитные электроды со стандартными катодными материалами (LFP, LNMO). Результаты электрохимических экспериментов на этих электродах будут использованы для настройки модели для всего композитного электрода и ее верификации.

Ожидаемые результаты