ИСТИНА

В ходе реализации проекта будут разработаны новые материалы для металл-ионных аккумуляторов. С быстрым расширением применения аккумуляторов спрос на их производительность в экстремальных условиях (например, при высокой/низкой температуре, высоком напряжении, быстрой зарядке и т. д.) постоянно растет. Электролит является ключевым компонентом аккумуляторов, и его свойства оказывают сильное влияние на их производительность. Последние достижения в области электролитов значительно улучшили характеристики аккумуляторов в циклическом режиме работы за счет повышения электрохимической стабильности на межфазных границах электродов, но одновременное достижение высокой ионной проводимости и работоспособности в условиях низких температур остается проблемой. С термодинамической точки зрения, свободная энергия смешанной системы сильно влияет на формирование сольватной структуры жидкого электролита, а стабильность твердого электролита в значительной степени определяется энтропией. Настройка энтропии электролита является перспективной стратегией улучшения его свойств. Мы предлагаем стратегию проектирования жидких и твердых электролитов для современных металл-ионных аккумуляторов за счет увеличения молекулярного разнообразия в электролитах, что, по сути, приводит к получению электролитов с высокой энтропией. Концепция высокоэнтропийных электролитов (ВЭЭ) является инновационной концепцией в области хранения энергии. Эти электролиты (жидкие и твердые) состоят из нескольких компонентов. Такая конструкция обеспечивает уникальные возможности не только с точки зрения химии поверхности, что позволяет значительно повысить производительность аккумулятора, но и обладает высокой ионной проводимостью даже при низких температурах, что делает их перспективными для применения в экстремальных условиях. ВЭЭ могут произвести революцию в технологии аккумуляторов за счет улучшения ионной проводимости при низких температурах; кроме того, уникальные сольватные структуры ВЭЭ могут способствовать образованию устойчивых границ раздела между твердой фазой и электролитом и между катодом и электролитом, которые имеют решающее значение для повышения стабильности и эффективности литий-ионных и других аккумуляторов на основе щелочных металлов. Улучшая электрохимическую стабильность и уменьшая деградацию элементов, ВЭЭ способствуют увеличению срока службы аккумулятора и разработке более экологичных энергетических решений. Уникальные свойства ВЭЭ электролитов определяются их молекулярным разнообразием, что делает их перспективным выбором для устройств хранения энергии следующего поколения, включая литий-, натрий-, калий-, магний- и цинк-ионные аккумуляторы. Изучение систем ВЭЭ требует работы с очень большим количеством образцов. Высокопроизводительные вычисления в сочетании с машинным обучением используются для быстрого скрининга соединений, что приводит к длинным спискам кандидатов, которые необходимо проверить экспериментально. Самая большая сложность заключается в том, чтобы экспериментально проверить все возможные кандидаты и соединения. Поэтому создание автоматизированных систем является крайне актуальной задачей для разработки и проектирования аккумуляторных материалов. Для ускорения исследований и разработок в этой области мы предлагаем использовать автоматизированные подходы к электрохимии (АЭ). Этот передовой подход способствует высокопроизводительному скринингу систем ВЭЭ, позволяя проводить быстрые испытания материалов электролита, электродов и т.д. Это значительно сокращает время, необходимое для экспериментов и оптимизации. С помощью АЭ можно достичь и точности эксперимента точности, и его воспроизводимости, поскольку автоматизация сводит к минимуму человеческие ошибки, обеспечивая стабильные и надежные результаты. АЭ также упрощает интерпретацию данных, поскольку автоматизированные настройки часто включают в себя инструменты машинного обучения и анализа данных.

With the rapid expansion of battery applications, the demand for battery performance under extreme conditions (e.g., high/low temperature, high voltage, fast charging, etc.) is constantly increasing. The electrolyte is a key component of batteries, and its properties have a far-reaching impact on battery performance. Recent advances in electrolytes have significantly improved battery cycling performance by enhancing the electrochemical stability at electrode interfaces, but achieving high ionic conductivity and operating under harsh conditions at low temperatures at the same time remains a challenge. In response, battery communities have been struggling to develop new concepts and theories. From a thermodynamic perspective, the free energy of a mixed system greatly affects the formation of the solvation structure of a liquid electrolyte, and the stability of a solid electrolyte is largely governed by entropy. Tuning the entropy of an electrolyte is, in principle, a viable strategy for improving the properties of an electrolyte. We propose a design strategy for liquid and solid electrolytes for advanced metal-ion batteries by increasing the molecular diversity in the electrolytes, which essentially leads to high-entropy electrolytes. The concept of high-entropy electrolytes (HEE) is an innovative concept in the field of energy storage, especially for rechargeable batteries. These electrolytes (liquid and solid) are composed of multiple components. This design provides unique capabilities not only in interface chemistry, which can significantly improve battery performance (cycle life and high charging speed), but also have high ionic conductivity even at low temperatures, making them promising for applications in extreme conditions. HEEs can revolutionize battery technology by (a) improving ionic conductivity at low temperatures; (b) The unique solvation structures of HEEs can promote the formation of a robust solid-electrolyte interphase (SEI) and cathode-electrolyte interphase (CEI), which are critical to enhancing the stability and efficiency of lithium-ion and other alkali metal batteries. By improving electrochemical stability and reducing degradation, HEEs contribute to longer battery life and more sustainable energy solutions. The unique properties of high-entropy electrolytes (HEE) are determined by their molecular diversity, making them a promising choice for next-generation energy storage devices, including lithium-ion, sodium-ion, potassium-ion, magnesium-ion and zinc-ion batteries. Studying high entropy systems requires working with very large numbers of samples. High performance computing coupled with machine learning is used to rapidly screen compounds, resulting in long lists of candidates that need to be tested experimentally. The biggest challenge is to experimentally test all possible candidates and compounds. Thus, creating automated systems is an extremely relevant task for the development and design of battery materials. To accelerate research and development in the field, we propose using automated electrochemistry (AE) approaches. This advanced approach facilitates high-throughput screening of HEEs, systems, as they allow rapid testing of electrolyte materials. electrodes, etc. This significantly reduces the time required for experimentation and optimization. Using AE, both experimental accuracy and reproducibility can be achieved, as automation minimizes human errors, providing consistent and reliable results. AE also facilitates data interpretation, as automated setups often include machine learning and data analysis tools. Proof-of-concept applications already exist for the development of next-generation batteries, including lithium-ion, solid-state and multivalent ion systems.

В ходе реализации предлагаемого проекта планируется создание фундаментальных научно-практических основ для получения высокоэнтройпийных жидких и твердых электролитов для нового поколения металл-ионных аккумуляторов. На сегодняшний день современная стадия развития исследований в области металл-ионных аккумуляторов находится в области оптимизации составов и режимов работы для достижения наилучших характеристик. В целом, сегодня в РФ разработаны и апробированы основные методики создания катодных и анодных материалов с заданной морфологией, насыпной плотностью и электрохимическими характеристиками. Дальнейшие направления исследований состоят в поиске оптимальной технологии получения и применения различных электролитов. В рамках реализации предлагаемого проекта будут разработаны фундаментальные подходы к созданию высокоэнтропийных электролитов для металл-ионных аккумуляторов нового поколения. На первом этапе реализации проекта будет исследована возможность создания высокоэнтропийных жидких электролитов. Благодаря включению различных соединений, таких как смеси солей, карбонатов, фторированных эфиров, алкилфосфатов, добавок и т.д., они изменяют энергию взаимодействия при сольватации с ионами щелочных металлов (Li+/Na+/K+), способствуя более быстрой десольватации Li+/Na+/K+ и более равномерному осаждению металлов. Сложная и разнообразная структура электролита может подавлять разложение растворителя и способствовать образованию прочных, самовосстанавливающихся поверхностных слоев, обеспечивая превосходную циклическую стабильность и более широкие электрохимические интервалы. Для определения оптимального состава жидкого электролита будут использованы методы машинного обучения, в основу работы которых будут заложены известные закономерности влияния различных типов растворителей и их фундаментальных характеристик (температуры кипения и вспышки, вязкость, электрохимическая устойчивость и т.д.) на свойства электролита. В рамках проекта будет разработана высокопроизводительная автоматизированная платформа для скрининга – «ADEL» (Automated Drop-cast Electrode setup), которая в том числе может быть использована для скрининга материалов для многокомпонентных составов жидких и твердых полимерных электролитов. Разработанная система позволит также проводить автоматизированные исследования спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) и распределения времён релаксации (DRT), что поможет квалифицированно оценивать внутреннее сопротивление системы и оптимизировать её работу. Аналогичные подходы будут применены к созданию многокомпонентных твердых и композиционных полимерных электролитов для твердотельных металл-ионных аккумуляторов. Будет исследовано влияние различных классов полимеров на физико-химические свойства в многокомпонентных смесях (особенности формирования структуры, механические и прочностные характеристики, термическая и химическая стабильность). На основе проведённого скрининга будет выбран ряд потенциально перспективных составов и проведены комплексные исследования особенностей их получения с оценкой различных типов литиевых солей и различных типов неорганических добавок. На основании проведённых исследований будут собраны и протестированы полные ячейки с высокоэнтропийными жидкими, а также твердыми полимерными электролитами. Полученные экспериментальные данные станут основой для подачи заявок и получения патентов на новое поколение металл-ионных аккумуляторов с различными электролитами широкого спектра применения. В рамках работы будут также созданы прототипы аккумуляторов с наилучшими электролитами, полученными в рамках проведённых исследований. Сформулированы заявки и получены патенты на жидкие и твердые полимерные электролиты различного состава, методики их синтеза и применение в различных типах аккумуляторов (литий, натрий, калий-ионных). Возможность практического использования ожидаемых результатов подтверждается не только имеющимся богатым научным и практическим заделом руководителя проекта и основных исполнителей, но заинтересованностью в софинансировании предлагаемого проекта компанией «Металлион». Руководство компании выражает заинтересованность в разработке и апробации технологий получения, в первую очередь, высокоэнтропийных жидких электролитов для высоких плотностей тока, а также апробации технологий получения твердотельных аккумуляторов. Реализация предлагаемого проекта позволит существенно продвинуться в вопросах создания конкурентных образцов и разработке дальнейших рекомендаций по их практическому использованию.

Коллектив обладает высокой квалификацией и значительным научным опытом в различных областях органического и неорганического синтеза, электрохимии, химии материалов и квантово-химического анализа и моделирования материалов и процессов (например, переноса заряда и деградации), происходящих при экспериментальном изучении и эксплуатации материалов. Члены коллектива накопили большой опыт в области синтеза и характеризации материалов, а также исследования различных материалов в качестве активных компонентов металл-ионных аккумуляторов, оптимизации их электрохимических характеристик, определения механизмов протекающих в них окислительно-восстановительных реакций, изучения путей деградации и моделирования переноса ионов и электронов, происходящего в процессе цикла ячеек. Так, Стивенсон руководил несколькими совместными проектами (“Design of Advanced Organic Cathode Materials for Lithium and Sodium batteries” RSF, 24M RUR, 01/01/2016-12/31/20; and “NTI-e-mobility consortium,” (Co-PI w/ Kashin, Dobrovolskiy), NTI program, ~180M RUR 07/01/2018-12/31/2022.; “COMPUTER AIDED DESIGN FOR NEXT GENERATION FLOW BATTERIES,” (Co-PI) COMPBAT Horizon 2020 program. 330,000 Euro, 01/01/2020-12/31/2023).