ИСТИНА

изучение процесса роста дендритов натрия на поверхности анодного материала, способов подавления этого процесса и, напротив, способов достижения обратимого осаждения/растворения металлического натрия в ходе зарядно-разрядного процесса.

The need for low-cost, high-capacity energy storage systems requires continued development of metal-ion batteries technology. Sodium-ion battery (SIB) is one of the most actively studied areas. This project is devoted to the development of methods for suppressing the irreversible deposition of sodium metal in sodium-ion batteries, where the anode material is non-graphitizable or hard carbon. Non-graphitizable carbon (hard carbon) is the most promising anode material for SIBs due to high capacity (above 250 mAh/g) and high Coulombic efficiency at the first cycle (above 80%). Previously, our research group demonstrated the achievement of high values of Coulombic efficiency at the first cycle (up to 89%) and discharge capacity (300 mAh/g) for hard carbon anode materials. The material has a high charging capacity due to a complex and multi-stage mechanism of electrochemical interaction with sodium ions – sodium ions are able to interact with the defects, intercalate into the interlayer graphite-like space and penetrate into micropores. A significant problem when using carbon anode materials is the deposition of sodium metal in the form of dendrites during charge. Metallic sodium formed on the surface is characterized by increased reactivity, which leads to side reactions with the electrolyte, a decrease in Coulombic efficiency and cycling stability, fire and complete failure of the device. The deposition of sodium metal in sodium-ion batteries is often irreversible and uneven. Uneven deposition results in loss of electrical contact and the formation of inactive areas of sodium metal on the electrode surface. On the other hand, the literature repeatedly mentions the possibility of reversible deposition/dissolution (or plating/stripping) of metallic sodium on a carbon surface by means of the optimization of various parameters of the electrochemical system. In this case, a significant increase in the capacity of the anode material (up to 1000 mAh/g) can be observed by combining “intercalation” processes with subsequent deposition of sodium metal on the surface of the carbon anode material. This technology is better known for use in so-called anode-less sodium-ion batteries (“less” means the use of less mass of anode material compared to classic sodium-ion batteries). Preventing the irreversible and chaotic growth of sodium dendrites or, conversely, achieving uniformity and reversibility of the electrochemical process will significantly increase the safety and the energy capacity of a sodium-ion battery. To improve the electrochemical characteristics of a sodium-ion battery, an integrated approach is required: optimization of the design of the electrochemical cell, selection of the separator and electrolyte, choice of the morphology of the anode material, as well as modification of its surface. The project will focus on the development of approaches for uniform and reversible electrochemical deposition/dissolution of metallic sodium on the surface of non-graphitizable carbon. Thus, the implementation of this project will lay the technological foundations for the creation of a sodium-ion battery with increased energy capacity.

1. Проанализировать риск роста натриевых дендритов и замыкания ячейки в зависимости от параметров электрохимического эксперимента: применяемого сепаратора, плотности тока, состава электрода. 2. Выявитт роль углеродного материала как анодного материала при осаждении металлического натрия. Изученить влияние природы источника и метода синтеза неграфитизируемого углерода, влияние различной морфологии и размеров частиц на риск роста дендритов натрия. Подобрать образец неграфитизируемого углерода с наилучшими электрохимическими свойствами (емкостью, кулоновской эффективностью, стабильностью циклирования). 3. Предложить оптимальный состав электролита, стабилизирующий или подавляющий осаждение натрия. Изучить влияние различных электролитных добавок, концентрации соли, состава растворителя на электрохимические свойства системы. 4. Изучить электрохимические свойства полной натрий-ионной ячейки. При этом ряд экспериментов будет проведен в anode-less системе – с расчетом, что удельная емкость анодного материала значительно превышает удельную емкость катодного материала. Также необходимо отметить и планируемые результаты более фундаментального характера: 5. Исследовать характер и обратимость электрохимического осаждения натрия на неграфитизируемом углероде в зависимости от различных параметров электрохимического эксперимента. Исследовать морфологию осаждаемого слоя натрия на поверхности неграфитизируемого углерода. 6. Создать модифицированные серебром, золотом, медью, цинком электроды из неграфитизируемого углерода, исследовать их электрохимические характеристики, проверить влияние модификации поверхности электрода на равномерность электрохимического осаждения натрия.

В 2022 году руководителю проекта, Бобылёвой З.В. была присвоена степень кандидата химических наук по специальности «Химия твердого тела» (научные руководители – д.х.н., профессор, член-корреспондент Антипов Е.В. и к.х.н., в.н.с. Дрожжин О.А.). Диссертация была посвящена синтезу и всестороннему исследованию неграфитизируемого углерода как анодного материала для натрий-ионных аккумуляторов. З.В. Бобылёвой удалось оптимизировать ряд методик синтеза анодных материалов и приготовления электролитов с улучшенными электрохимическими характеристиками, тем самым добившись высоких практически значимых результатов. С 2017 года Бобылёва З.В., а с 2020 года Лакиенко Г.П., являются исполнителями в проекте РНФ №17-73-30006, где отвечают за исследование неграфитизируемого углерода и электролитов для натрий-ионных аккумуляторов. С 2019 по 2022 года Бобылёва З.В. участвовала в успешной реализации проекта РНФ №19-73-10078, где была ответственна за разработку оптимального состава электролита для литий-ионных аккумуляторов нового поколения. Помимо этого, Бобылёва З.В. являлась ответственным исполнителем аспирантского гранта РФФИ №19-33-90112 по исследованию механизма взаимодействия ионов натрия и неграфитизируемого углерода.