Грант СПбГУ №26455158

(2018-2020)

С 2018 г. по 2020 г. в научной группе профессора В. В. Кондратьева выполняется проект СПбГУ «Разработка перспективных материалов для электрохимических источников тока» под руководством ведущего ученого профессора Рудольфа Хольце из Германии.

Целью проекта является проведение фундаментальных и прикладных исследований в области разработки новых энергозапасающих материалов для химических источников тока, создание базовой передовой лаборатории, в которой будут решаться инженерные и научные задачи по созданию материалов и устройств электрохимического запасания энергии.

Направления и результаты исследований

Экспериментальные и теоретические исследования по проекту сфокусированы на разработку научно-технологических основ получения новых электродных материалов для металл-ионных и других источников тока, изучения кинетики и механизма твердофазных процессов переноса заряда в таких материалах. Основные исследования ведутся по трем направлениям:

• Направленный дизайн новых электродных материалов для литий-ионных батарей с улучшенными функциональными свойствами. Создание гибридных органо-неорганических материалов на основе проводящих полимеров и перезаряжаемых соединений переходных металлов (оксидов металлов, комплексов металлов) и разработки макетов литий-ионных батарей. Заметные успехи были достигнуты в разработке новых наноструктурированных материалов на основе LiFePO4, и LiMn0.6Fe0.4PO4 и проводящего полимера поли-3,4-этилендиокситиофеном. За счет поверхностного модифицирования зерен активных перезаряжаемых материалов проводящим полимером и введения ионопроводящих полиэлектролитов удалось получить катодные материалы для литий-ионных батарей, характеристики которых превосходят опубликованные на сегодняшний день аналоги по емкости и скорости заряд-разрядных процессов. Получен патент РФ № 2584678. В. В. Кондратьев, О. В. Левин, Е. Г. Толстопятова, С. Н. Елисеева, Е. В. Алексеева, «Композитный катодный материал для литий-ионных батарей». Ведутся исследования новых анодных материалов для литий ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта и сульфида молибдена, а также исследования материалов для натрий ионных аккумуляторов на основе гесацианоферрата марганца.
• Разработка новых электродных материалов для литий-ионных систем на основе проводящих полимеров с ковалентно связанными хиноновыми заместителями в цепи и полимерных анионов-допантов с хиноновыми заместителями. Исследованы композитные полимерные материалы на основе проводящего полимера поли-3,4-этилендиокситиофена (PEDOT) с анионом поли(3,4-дигидрокситиолсульфоновой) кислоты (PDHS-SO3-). С использованием электрохимических кварцевых микровесов изучена стехиометрия редокс-процессов в композитах. Кинетика электрохимических процессов изучена с использованием спектроскопии электрохимического импеданса. По этому направлению работ впервые разработан способ синтеза поли(3,4-дигидроксистирола) и его сульфированной формы и подана заявка на патент «Анионный полимер, содержащий орто-хиноновый фрагмент, и способ его получения» на изобретение, которое относится к технологии получения полимеров и полиэлектролитов на их основе. Создана новая полимерная электродная композиция на основе производных политиофена и производных поли(3,4-дигидрокситиролсульфоновой) кислоты, обладающая заметной удельной емкостью и высокими скоростями заряд-разряда, по которой подана заявка на патент «Полимерные полихинон-политиофеновые композиции для электрохимических источников тока».
• Разработки материалов и макетов суперконденсаторов на основе быстро перезаряжаемых гибридных органо-неорганических материалов, состоящих из проводящих полимеров, перезаряжаемых соединений переходных металлов (оксидов металлов) и углеродных активных добавок. В рамках развития направления работ по разработке материалов для фарадеевских суперконденсаторов опубликован обширный обзор литературы по таким материалам [L. Fu, Q. Qu, R. Holze, V.V. Kondratiev, Y. Wu Composites of metal oxides and intrinsically conducting polymers as supercapacitor electrodes: The best of both worlds? // J. Mater. Chem. A 7 (2019) 14937-14970. DOI: 10.1039/C8TA10587A (IF 10.733, SJR 3.372, Q1)], который создает основу для выбора новых перспективных систем и развития подходов к их исследованию.
• Изучены функциональные характеристики гибридных органо-неорганических материалов для суперконденсаторов на основе перезаряжаемых соединений переходных металлов (оксиды вольфрама, двойные оксиды кобальта и никеля, сульфид молибдена), проводящих полимеров (поли-3,4-этилендиокситиофен) и углеродных добавок. Разрабатываемые металл-полимерные нанокомпозитные материалы перспективны для применения в целом ряде областей науки и техники, в частности, как катализаторы электрохимических процессов, как энергоемкие электродные материалы для разработки новых энергозапасающих устройств (батареи, суперконденсаторы).

Выполнение проекта позволило активизировать международные научные контакты и поездки для выполнения работ, в том числе наиболее активные для студентов и аспирантов.