РНФ №24-13-00204

(2024—2026)

Аннотация

Материалы с обратной связью, меняющие свои свойства под действием внешнего стимула, лежат в основе многих сенсорных и исполнительных устройств. В области литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) особое значение имеют материалы с изменяемой электропроводностью, которые позволяют предотвратить развитие процессов, приводящих к перегреву и взрыву батареи при перезаряде или коротком замыкании. Перспективный подход к защите ЛИА с помощью сопряжённых проводящих полимеров, переходящих в непроводящее состояние при достижении опасного значения электродного потенциала, был недавно предложен авторами проекта. Ключевым свойством, определяющим защитные свойства рассматриваемых материалов, является колоколообразная зависимость их проводимости от приложенного потенциала. Для наблюдаемого эффекта авторы предлагают использовать термин «потенциорезистивность» по аналогии с «терморезистивностью». На данный момент применение потенциорезистивной защиты ограничено диапазоном проводимости известных проводящих полимеров. Вместе с тем, варьирование окна проводимости потенциорезистивных материалов фундаментально возможно, и может быть использовано для создания материалов, окно проводимости которых соответствует различным конфигурациям ЛИА.

В качестве ключевой гипотезы проекта авторы предполагают, что создание потенциорезистивных материалов с заранее определенными параметрами окна проводимости может быть реализовано на основе композитов проводящих полимеров с редокс-добавками, где состав композита будет определять параметры окна проводимости. Проверка этой гипотезы, выявление постулируемых в ней закономерностей и их практическая имплементация для защиты литий-ионных аккумуляторов составляют основную целью проекта.

Основные задачи проекта включают три блока:

• Анализ влияния редокс-добавок различной природы (компонентов, способных к обратимым окислительно-восстановительным переходам) на электрохимические свойства тонких плёнок проводящей полимерной матрицы.
• Анализ влияния толщины и морфологии композитных полимерных материалов на их электропроводность.
• Тестирование защитных свойств новых материалов в составе прототипов литий-ионных аккумуляторов.

Успешная реализация проекта позволит синтезировать материалы с контролируемым диапазоном потенциалов и амплитудой изменения электропроводности, что актуально для использования их в качестве защитных слоёв в батарейных системах и других устройствах. Фундаментальная значимость проекта заключается в создании теоретической основы для молекулярного дизайна потенциорезистивных материалов. Насколько известно авторам проекта, предлагаемая концепция создания потенциорезистивных материалов на основе проводящих полимеров, допированых редокс-добавками, в литературе не описана.

Ожидаемые результаты

Исследовательский проект направлен на изучение и разработку материалов на основе проводящих полимеров, модифицированных редокс-добавками, с упором на их электропроводность. Проект рассчитан на три года, каждый из которых преследует конкретные цели.

Первый год

Задачи первого года выполнения проекта связаны с разработкой методик измерений, их проверкой на примере доступных материалов и тестированием новых материалов по мере их получения. Ожидаемые результаты включают в себя:

• Установление влияния трансграничного переноса заряда, морфологии и толщины плёнки сопряжённого полимера на зависимость её электропроводности от потенциала.
• Выявление закономерностей, описывающих влияние концентрации редокс-добавок на электропроводность смесей и интерполимерных комплексов.
• Совершенствование и обоснование методики количественного определения удельной электропроводности изучаемых полимеров.

Второй год

Задачи второго года включают синтез редокс-добавок для полиэлектролитных композитов, прививку редокс-групп на проводящую матрицу и поисковые исследования в области сополимеризации. Осуществляется синтез мономеров с привитыми редокс-центрами и блок-сополимеров. Дополнительно определяются ограничения на значения электропроводности плёнок, использующихся для предотвращения возгорания литий-ионных аккумуляторов.

Третий год

Акцент смещается на синтез более сложных систем для подтверждения предположений, сделанных на ранней стадии проекта. Выполняется синтез систем с заряженными и объёмными заместителями, не проявляющими редокс-активности.

В результате выполнения проекта в целом предполагается:

• Разработать подходы к целенаправленному изменению диапазона проводимости материалов на основе сопряжённых полимеров.
• Получить новые материалы с диапазоном проводимости, соответствующим рабочим потенциалам высоковольтных катодов литий-ионных аккумуляторов.
• Испытать защитные свойства разработанных материалов.

Научная значимость результатов проекта

Проект способствует пониманию связи между составом, механизмом и скоростью переноса заряда, и электропроводностью в проводящих полимерах, модифицированных редокс-добавками. Ожидаемые результаты касаются фундаментальных вопросов науки о полимерах в электрохимии, они расширяют знания в этой области и открывают новое направление по созданию редокс-проводящих полимеров с переменной электропроводностью.

Общественная значимость результатов проекта

Разработанные материалы могут найти применение в различных экономических и социальных контекстах:

• Усовершенствованное хранение энергии. Полученные материалы могут повысить производительность и безопасность литий-ионных батарей, удовлетворяя растущий спрос на эффективные решения для хранения энергии.
• Электроника и технологии. Материалы с переменной проводимостью могут способствовать созданию новых электронных устройств, исполнительных устройств, транзисторов, датчиков и других технологий.
• Воздействие на окружающую среду. Улучшенные характеристики аккумуляторов могут способствовать разработке более устойчивых и экологически безопасных решений по хранению энергии.