ИСТИНА

В настоящее время проблема разработки новых систем хранения энергии снова приобрела огромную значимость. Ввиду ограничений характеристик широко используемых сегодня батарей (кислотных, щелочных и литий ионных) по сроку службы, рабочим температурам, максимальному току и мощности, необходима разработка новых типов устройств хранения энергии. Немаловажна также и их стоимость. Существует два перспективных направления решения этой задачи: создание суперконденсаторов, в которых накопление энергии происходит за счет образования двойного электрического слоя (ДЭС) и гибридных литий-ионных ионистров (гибрид Li-ионной батареи и и суперконденсатора, где один из электродов аккумулирует энергию в ДЭС, в то время как другой – путем интеркаляции лития в материал на основе графита). Несмотря на то, что суперконденсаторы рассматриваются как реальная альтернатива существующим батареям, современные коммерчески доступные образцы обладают плотностью энергии меньше чем 10 Вт*ч/кг, что в 15 раз меньше чем у батарей (150 Вт*ч/кг для литий-ионных батарей). Таким образом, важной задачей является увеличение энергетической эффективности и рабочего напряжения суперкоденсаторов. В дополнение к накоплению заряда в ДЭС на обкладках суперконденсатора возможно также и использование полностью обратимых окислительно-восстановительных реакций на электродах, приводящее к появлению дополнительного вклада псевдоёмкости. Предполагается исследовать две возможности её реализации: первая – это модификация углеродного электродного материала введением гетероатомов в состав графеновых слоев,что позволит образовывать различные поверхностные соединения при определенных потенциалах, реализуя, таким образом, обратимые Фарадеевские реакции, приводящие к накоплению заряда. Второй путь – это использование модифицированных слоев проводящих полимеров, предварительно иммобилизованных на углеродный электрод. В этом случае псевдоемкость будет обеспечиваться сопряженными макромолекулами, которые изменяют свое состояние при изменении приложенного потенциала. Для этой цели будут испытаны новые проводящие полимеры на основе порфинов, т.к. эти материалы обладают уникально широким потенциальным диапазоном электроактивности (более 3В в органических средах). В качестве альтернативного и перспективного материала для Li+-проводящих электролитов будут также испытаны мембраны на основе Нафиона с Li+ противоионами. Недавно разработанный метод ионно-обменного замещения протонов на ионы лития в органических растворителях позволяют создать высокопроводящие неводные системы с достаточно широким электрохимическим окном, зависящим от природы растворителя. Такие твердотельные полимерные электролиты могут быть успешно использованы в гибридных Li(C)/Li – ионисторах. Синтез новых высоковольтных ионных жидкостей с симметричным электрохимическим окном позволяет увеличить рабочее напряжение суперконденсатора до 5В, вместо 2.7 В для органических электролитов и 1.2 В - для водных систем. Широко применяемые электроды суперконденсаторов, как правило, изготавливают из углеродных материалов с высокой удельной площадью поверхности и высокой электропроводностью, таких, активированный уголь, углеродные волокна и трубки, материалы на основе графена и луковичных углеродных структур. Тем не менее, не существует общепринятых требований к тому, какие материалы наиболее подходят для тех или иных электролитов. В некоторых случаях углеродные материалы с удельной площадью поверхности 2400 м2/г демонстрируют худшие характеристики в неводных средах, чем материалы с удельной площадью поверхности 500 м2/г. Реализация данного проекта позволит получить фундаментальные результаты по корреляции между удельной площадью поверхности, размерностью электропроводности (1D, 2D, 3D) углеродного материала, распределением пор по размерам, размерами ионов электролитов, а также емкостными и мощностными показателями. Можно предположить, что изготовление электродов суперконденсаторов из смеси 1D и 2D электропроводящих структурированных гетерозамещенных (N, B) углеродных материалов (малослойные графиты, луковицы и нанотрубки) обеспечит зарядовый баланс в системе, эффективную псевдоемкость наряду с быстропротекающим процессом зарядки-разрядки. Для увеличения мощностных показателей предполагается изучить возможность использовать гибридных ионисторов со смешанным механизмом зарядки: в качестве катода будет использована смесь структурированных углеродных наноматериалов с псевдоёмкостью, а в качестве анода – наночастицы кремния или олова, стабилизированные на компактизированных конических углеродных нанотрубках, что обеспечит обратимое химическое связывание в электроде большего количества Li (Li4Si по сравнению с LiC6 в графите). Для обеспечения выполнения проекта будут использованы современные синтетические подходы – пиролитический синтез гетерозамещенных углеродных наноматериалов, органический синтез новых высоковольтных ионных жидкостей со сродством к Li+, основанных на морфолиновых и пирролилидиновых катионах и TFSI анионах. Для исследования характеристик углеродных материалов, электролитов, а также суперконденсаторов и гибридных ионисторов предполагается применять современные аналитические методы, такие как, просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, растровая электронная микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгеновская дифракция, электронная микродифракция, термический анализ с масс-спектроскопией, низкотемпературная азотная порометрия, электрохимические измерения и импедансная спектроскопия, жидкостная порометрия. Для всех операций с компонентами суперконденсаторов и ионисторов будут использованы герметичные перчаточные боксы. Для наиболее перспективных образцов также будут выявлены эксплуатационные характеристики.

Настоящий проект направлен на комплексное решение нескольких взаимодополняющих задач. Первая из них – развитие методов синтеза новых гетерозамещенных углеродных материалов с заданными и контролируемым распределением пор по размерам, большой площадью поверхности и анизотропной электропроводности. Вторая – изучение стабилизации дискретных наночастиц Si иSn с размером 2-10 нм на поверхности смеси углеродных наноматериалов для отрицательно заряженного электрода и слоев проводящих полимеров на положительно заряженном. Третья задача – развитие новых синтетических подходов к созданию электролита. Практическое использование таких электрохимических модулей представляется целесообразных в виде сборок из требуемого их количества и может быть чрезвычайно полезно для индустрии электромобилей , автономных систем обеспечения, систем электропитания самолетов, кораблей и т.д. Таким образом, социальная значимость полученных результатов чрезвычайно высока и связана с активным поиском альтернативных источников энергии в связи с истощением природных ресурсов нефти и газа, а также загрязнением атмосферы . Полученные результаты планируется опубликовать в ведущих российских и международных научных журналах, а также представить на российских и международных конференциях и семинарах. Основные фундаментальные результаты также будут включены в специализированные учебные курсы для студентов химических специальностей ВУЗов, например, по современной электрохимии, физическим методам исследования в химии, химии углеродных материалов, современному материаловедению, а также отражены в монографии.