Разработка многофункциональных материалов для аккумуляторных батарей нового поколения

Разработка многофункциональных материалов для аккумуляторных батарей нового поколения

ИРН AP 09259764

 

Актуальность

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) открыли новые возможности для быстрого развития современных портативных устройств. В ЛИА в качестве катодов используются в основном интеркаляционные катоды, представленные оксидами и фосфатами переходных металлов, которые неспособны удовлетворить требования электромобилей и систем накопления большой энергии из-за их ограниченной плотности энергии (менее 400 Вт•ч/кг). Более того, катоды интеркаляционного типа имеют несколько недостатков, связанных с высокой стоимостью материалов и проблемами безопасности, которые также ограничивают их использование в электромобилях и крупномасштабных энергосистемах. Следовательно, внедрение альтернативных систем с более высокой удельной мощностью, плотностью энергии и недорогими источниками требуется для удовлетворения высоких требований. В этом отношении литий-серные (Li-S) батареи считаются одной из наиболее перспективных энергетических систем из-за высокой теоретической удельной емкости, которая приводит к теоретической плотности энергии 2600 Вт•ч/кг. Кроме того, сера имеет низкую стоимость, в значительной степени. меньшее воздействие на окружающую среду и обильные ресурсы. Однако внедрение Li-S аккумуляторов затруднено из-за ряда недостатков, таких как низкая проводимость серы, сложные окислительно-восстановительные реакции, перенос растворимых промежуточных продуктов (полисульфиды лития, LiPS), рост дендритов на литиевом аноде и объемное расширение катода при восстановлении до Li2S2/Li2S, что приводит к структурной деградации и сокращению срока службы батарей.

Цель

Целью этого проекта является разработка и получение высокоэффективных материалов для литий-серных аккумуляторов нового поколения с использованием нанотехнологических подходов и эффективного дизайна. В ходе реализации проекта будут разработаны новые сероуглеродные материалы для литий-серных аккумуляторов, исследованы их электрохимические и физические характеристики и работа в литий-серных аккумуляторах.

Ожидаемые и достигнутые результаты

В результате проведенных работ выполнены все пункты календарного плана на 2021 год. Результаты проекта были представлены в междунарной виртуальной конференции EMRS (the European Materials Research Society, Европейское сообщество материаловедения) 2021 Fall Meeting. Также, в результате работы за 2021 год опубликованы две статьи в ведущем международном научном журнале «Journal of Alloys and Compounds» (импакт-фактор IF (2019) = 4,65; Q1). Научная новизна работ по проекту заключается в разработке новых высокопроизводительных материалов с заданными свойствами для систем хранения и преобразования энергии, и новых методов характеризации материалов. Продемонстрирована стратегия разработки серноуглеродных матриц, функционализированных соединениями металлов. Было показано, что разработанные материалы успешно улучшают электрохимические свойства литий-серных батарей. На основе серноуглеродных основ-матриц, функционализированных соединениями металлов, были изготовлены литий-серные батареи с начальной емкостью разрядки выше 1100 мАч г-1.

Имена и фамилии членов исследовательской группы

Проф. Жумабай Бакенов (https://research.nu.edu.kz/en/persons/zhumabay-bakenov) (https://orcid.org/0000-0003-2781-4955) (https://scholar.google.ca/citations?user=wlF8ZUoAAAAJ&hl=en)

Д-р. Айшуак Конаров (https://research.nu.edu.kz/en/persons/aishuak-konarov) (https://orcid.org/0000-0001-9352-8602) (https://scholar.google.co.kr/citations?user=zl0fOTMAAAAJ&hl=en)

Д-р. Алмагуль Ментбаева (https://research.nu.edu.kz/en/persons/almagul-mentbayeva) (https://scholar.google.com/citations?user=l1whEYsAAAAJ&hl=en)

Проф. Янвей Ванг (https://research.nu.edu.kz/en/persons/yanwei-wang) (https://orcid.org/0000-0002-8488-9833) (https://scholar.google.com.hk/citations?user=PAAv_KMAAAAJ&hl=zh-CN)

Проф. Юнгуанг Чжан (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55020162200)

Ян Жао (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56183389000)

Нуржан Байкалов (https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57216365173)

Ислам Рахимбек