ИСТИНА

Проект направлен на решение научной проблемы создания высокоэффективных композиционных катодных материалов на основе частиц LFP, полученных методом соосаждения на поверхности наноструктурированных углеродных материалов, в частности углеродных нанотрубок

In the conditions of the increasing energy crisis, the constant growth of production and consumption of portable electronic devices, increased control over the use of toxic materials and reduction of carbon emissions into the atmosphere, the issues of creating and applying promising energy storage and storage systems are particularly relevant. Among modern energy storage devices, lithium-ion batteries are among the most promising, popular and widespread today. Scientific developments are being actively conducted in the Russian Federation, "startups" and small enterprises are being opened, and an increasing number of investments are being attracted for the development of this industry. However, the level of progress in this field of science and technology in the country is still in the "catching up" stage. To date, there is no large-scale industrial production of lithium-ion batteries in the Russian Federation, while technologically developed countries already have production of lithium-ion batteries of various dimensions and capacities. In this regard, the Government of the Russian Federation has taken measures to stimulate the development of electric transport using domestic energy sources. The formulated development theme sets quite ambitious tasks for the Russian scientific community – the development of lithium-ion batteries for high-performance electric vehicles and hybrid electric vehicles in the next 5-7 years. One of the most promising cathode materials for lithium-ion batteries is lithium ferrophosphate - LiFePO4 (LFP). Compared with other common cathode materials (LiCoO2, LiNixMnyCozO2, LiNiCoAlO2), LFP is characterized by a number of practical advantages: low cost and non-toxicity of raw materials, increased heat resistance and safety, constant operating potential. However, the significant disadvantages of LFP are low electrical conductivity, low diffusion coefficient of lithium ions, as well as low volumetric energy density, which significantly complicates the use of LFP in electric vehicles and other high-capacity and high-power energy sources. In the modern scientific literature, a huge number of works are devoted to the elimination of these shortcomings of LFP. One of the main approaches is to reduce the particle size of the active material, which naturally reduces the diffusion path of lithium ions in the crystal structure and, accordingly, significantly reduces the diffusion time and improves the kinetics of charge transfer in the electrode. In order to improve the electrically conductive properties of LFP, conductive carbon coatings are applied to the surface of its particles. It is known that such coatings are capable of suppressing excessive crystalline growth of LFP particles and preventing their agglomeration, which is an additional effect contributing to a decrease in their size. It is also a common practice to add an electrically conductive component to the cathode composition to increase its electrical conductivity. In industry, carbon black is used as such an additive, but many studies have shown the effectiveness of using carbon nanotubes as an effective alternative. Even small amounts of nanotubes (compared to carbon black) they are capable of forming a percolation network as part of the cathode, inside which LFP particles are located. However, the electrical conductivity in the volume of LFP particles remains low. The scientific novelty of the proposed project consists in the use of an innovative method for the synthesis of particles of active cathode material (LFP). The essence of the method proposed in the project is the formation of LFP particles directly on the surface of conductive carbon (oxidized carbon nanotubes and/or graphene oxide) by deposition of FePO4 from a solution followed by lithiation. The implementation of the proposed technique will make it possible to form a conducting system not only on the surface, but also in the volume of LFP particles in the form of electrically conductive carbon structures and ion channels. The selective formation of LFP on carbon particles will be ensured by the presence of anionic functional groups on the oxidized carbon surface capable of forming complexes with Fe(III) ions of the precursor salt used. At the same time, the use of nanostructured forms of carbon will provide a low percolation threshold, which will increase the proportion of the electrochemically active component (LFP) and the volumetric energy density of the cathode. It is expected that the resulting material will have increased specific capacitance and power characteristics, which may underlie the creation of affordable and safe batteries for electric vehicles based on LFP.

Ожидаемые результаты, полученные в рамках первого года реализации проекта: 1. Экспериментально установлено влияние режимных параметров окисления УНТ на состав и количество функциональных групп на поверхности окисленных УНТ. Определено влияние функциональных групп на степень адсорбции ионов Fe. 2. Экспериментально установлены особенности осаждения фосфата железа на поверхности окисленных УНТ и ОГ при различных условиях. 3. Проведены комплексные исследования процессов литирования фосфата железа, осаждённого на поверхности УНТ и ОГ. Экспериментально подтверждена возможность получения частиц LFP на поверхности окисленных углеродных наноструктур. 4. Проведены комплексные исследования физико-химических свойств синтезированных материалов на различных стадиях. Дана предварительная оценка емкостных характеристик синтезированных материалов. 5. Результаты работы опубликованы в минимум 1 рецензируемой статье.

Руководитель проекта имеет опыт и существенный научный задел по синтезу графеновых и иных углеродных структур различных типов, а также получению композитов различного функционального назначения на основе графена. Следует также отметить, что руководитель проекта имеет опыт в реализации комплекса исследований сорбционных свойств различных типов наноструктурированных материалов. В ходе работы руководителем в соавторстве были синтезированы и комплексно исследованы композиционные материалы на основе оксида графена, модифицированного различными полимерами, а также наночастицами железа для различных применений. У руководителя проекта также имеется опыт в оценке электрохимических характеристик катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе LFP и углеродных нанотрубок, исследовании их свойств и влияния различных факторов на их емкостные характеристики

1. Экспериментально определено влияние состава окислителя в процессе функционализации на количества анионных групп на поверхности ОУНТ и МУНТ и заряд их поверхности. Оценены электропроводности окисленных ОУНТ и МУНТ в зависимости от различных параметров процесса функционализации. 2. Установлены зависимости влияния природы исходного железосодержащего сырья на эффективность процесса адсорбции ионов Fe на поверхности окисленных УНТ или ОГ. Экспериментально определены оптимальные соотношения компонентов и условий синтеза (температура, концентрация, рН среды и т.д.) для получения структур с оптимальными параметрами. 3. Установлены оптимальные условия процесса литирования фосфата железа, осаждённого на поверхности окисленного углерода. Исследовано влияние параметров процесса на структуру, физико-химические свойства и морфологию синтезируемых структур. 4. Экспериментально исследована возможность получения структур УНТ/ОГ/LFP. Оценены преимущества и недостатки предлагаемого композиционного материала. В ходе сравнительных исследований подобраны оптимальные параметры для получения материалов с наилучшими характеристиками. 5. Проведены комплексные электрохимические исследования синтезируемых структур на каждом этапе исследований. Оценены емкостные характеристики при различных скоростях заряда/разряда, циклические характеристики, кулоновская эффективность, удельная плотность энергии и т.д. 6. Сформированы научно-обоснованные методики синтеза композиционных катодных материалов с заданным набором характеристик.