РНФ №24-73-00160

(2024—2026)

Аннотация

Развитие и внедрение систем электрохимического накопления энергии — важный шаг к достижению Целей устойчивого развития. Ключевые компоненты аккумуляторов и суперконденсаторов — энергозапасающие материалы, в которых хранится химическая энергия, и электролиты, обеспечивающие ионный транспорт, необходимый для преобразования этой химической энергии в электрическую. Главная задача для развития отрасли — создание ключевых компонентов накопителей энергии: новых безопасных, экологичных и недорогих электролитов и активных материалов, обеспечивающих конкурентные характеристики в готовых аккумуляторах.

Благодаря широкому окну потенциалов стабильности органические электролиты позволяют создавать аккумуляторы и суперконденсаторы с высоким рабочим напряжением и, следовательно, с большим запасом энергии. Однако органические растворители, входящие в состав таких электролитов, небезопасны для окружающей среды (как при использовании, так и при утилизации) и небезопасны в эксплуатации (о чём свидетельствует статистика пожаров и связанных с ними экономических потерь). Поэтому предпринимаются попытки разработать различные альтернативные электролиты на водной основе, в том числе сверхконцентрированные электролиты (иначе — электролиты «вода в соли»), которые позволяют преодолеть недостатки как традиционных водных электролитов («соль в воде») — узкое окно напряжений, побочные реакции, плохая совместимость с рядом материалов, подверженных гидролизу, — так и органических электролитов (уже упомянутая пожарная и экологическая опасность, токсичность, сложность производства и утилизации).

Если переход от органических электролитов к системам «вода в соли» повысит экологичность и упростит и удешевит производство и утилизацию устройств, то для электродных материалов верно обратное. Неорганические материалы, традиционно используемые во всех типах аккумуляторов, содержат тяжёлые металлы, требуют высокотемпературных методов синтеза и сложных условий утилизации и потому не отвечают современным требованиям к экологичности и энергоэффективности производства аккумуляторов. В этой связи быстро развивающимся направлением исследований является применение органических электродных материалов вместо неорганических в ряде нишевых приложений, таких как гибкие и носимые устройства. Органические материалы устраняют часть этих проблем: как правило, они дешевле в производстве, а сырьё для их синтеза может быть получено из возобновляемых источников. Кроме того, утилизация таких электродов создаёт меньше экологических рисков.

В данном проекте мы исследуем возможность создания устройств накопления энергии, сочетающих два направления исследований — органические электродные материалы и сверхконцентрированные электролиты. Несмотря на очевидную перспективность такого сочетания, подобные системы практически не изучены. Главная цель проекта — непосредственно продемонстрировать принципиальную возможность сочетания органических электродных материалов и сверхконцентрированных электролитов в качестве компонентов аккумуляторов и/или гибридных суперконденсаторов. Сопутствующие задачи включают разработку как электролитных, так и электродных материалов, а также достижение наилучших функциональных характеристик устройств, включая удельную ёмкость и энергию, циклическую стабильность и скорость заряда. Итогом проекта станет новое направление разработки эффективных и безопасных устройств накопления энергии.

Ожидаемые результаты

Выполнение проекта позволит лучше понять электрохимические системы на основе сверхконцентрированных электролитов и органических электродных материалов. Прикладная реализация полученных знаний позволит создавать аккумуляторы и внедрять их в энергетические системы в рамках достижения целей устойчивого развития. Конкретные результаты проекта включают:

• оценку характеристик (то есть демонстрацию конкурентных функциональных характеристик) различных сочетаний «органический электрод — сверхконцентрированный электролит»;
• изучение сочетаний «органический электрод — сверхконцентрированный электролит» в составе макетов металл-ионных аккумуляторов с получением количественных значений функциональных характеристик;
• предложение теоретических механизмов перезарядки органических электродных материалов в контакте со сверхконцентрированными электролитами.