|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Гель-полимерные электролитные системы для низкотемпературных приложений: новое решение для симметричных суперконденсаторовНИР
Gel-Polymer Electrolyte Systems for Low Temperature Applications: A New Way for Symmetrical Supercapacitors
- Руководитель НИР: Савилов С.В.
- Ответственные исполнители: Архипова Е.А., Иванов А.С., Маслаков К.И.
- Участники НИР: Деянков Д.А., Купреенко С.Ю., Николенко С.К., Решетько С.С., Сивенкова Е.В., Столбов Д.Н.
- Подразделение: НИЛ катализа и газовой электрохимии
- Срок исполнения: 28 мая 2025 г. - 31 декабря 2027 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 25-19-00263
- Номер ЦИТИС: 125100111049-7
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Энергоэффективность и энергосбережение
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике
- ПН России: Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
- Критическая технология России: Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 61.01.05 Материалы общего характера
- 61.37.29 Алифатические соединения
- 61.37.35 Гетероциклические соединения
-
Ключевые слова:
устройства хранения и преобразования энергии, псевдоёмкость, ионные жидкости, гель-полимерные электролиты, редокс-активные добавки, суперконденсатор, удельная энергия
energy storage and conversion devices, ionic liquids, redox-active additives, gel-polymer electrolytes, supercapacitor, pseudocapacitance, specific energy -
Описание:
Разработка отечественных прототипов суперконденсаторов. Функциональный дизайн электролитных систем при создании суперконденсаторов представляет собой эффективный путь решения фундаментальной проблемы, связанной с повышением энергоёмкости, безопасности, срока службы электрохимических устройств.
-
Abstract:
The modern development of electric buses, unmanned systems, electronics poses challenges for researchers aimed at developing new and optimizing existing energy storage and conversion devices. Among energy storage and conversion devices, electrochemical supercapacitors (SCs) are of great interest for energy recovery: they are quickly charged, deliver the required power instantly, and have almost unlimited performance. Despite the rapid development of SCs, their market and basic production technologies are almost completely monopolized by such countries as Japan, China and the USA. In this connection, the development of domestic and efficient energy storage systems in our country is an important task, especially in the face of external economic challenges. The type of electrolyte system and electrode material mainly determine the operational characteristics of the SC. Aqueous and organic solutions are currently used as electrolytes. However, a significant disadvantage of aqueous systems is their narrow range of electrochemical stability, limited by the decomposition of water. The use of organic liquid systems also poses a number of safety concerns for such components. In contrast, polymer electrolytes are safe, non-leakage, non-corrosive, and have high thermal and electrochemical stability. This Project is aimed at developing and optimizing synthetic approaches for obtaining and modifying new gel-polymer electrolyte systems for their use in symmetric supercapacitors, including those operating at low temperatures. During the implementation of the Project, gel-polymer electrolytes of various compositions based on PVA, PVdF-HFP, PAA, used as a polymer matrix, inorganic additives Li/NaBF4, Li/NaOTf, LiTFSI and ionic liquids [EMIM][TFSI], [BMIM][TFSI], [EMIM][BF4], [EMIM][OTf]. As part of the work on the synthesis of redox-active electrolyte systems, new ferrocene-containing electrolyte additives of the composition [FcCH2NR3][TFSI], [FcCH2NR3][Br/I] will be obtained for the first time. Modification of gel-polymer systems will also be carried out using [EMIM][I], [EMIM][Br] and additions of redox-active inorganic salts (KI/KBr, FeBr3, K3[Fe(CN)6]). By varying the composition, the selection of electrolyte systems with the highest electrical conductivity will be carried out, including at low temperatures. The introduction of redox-active components into the polymer matrix will significantly improve the capacitance and energy characteristics of the device due to reversible Faraday processes that contribute to the formation of pseudocapacitance. Particular attention during the implementation of the Project will also be directed to reducing the self-discharge of the SC during operation. As part of the tasks set, work will also be carried out on the design and optimization of electrode materials, including post-treatment of the surface of carbon nanostructures using various doping agents. The combination of pseudocapacitive properties provided by the combination of redox active groups both in the volume of the electrolyte and on the electrode surface will make it possible to achieve a synergistic effect and a noticeable increase in the capacitance and energy parameters of the SC, and the use of gel-polymer electrolyte systems will significantly expand the operating temperature range of the device. Successful implementation of this Project, which is distinguished by its interdisciplinary nature, will allow the development of highly efficient symmetrical supercapacitors based on gel-polymer electrolyte systems and electrode materials optimized for their composition, operating in a wide temperature range. The results of the work, published in the form of scientific articles, abstracts of reports and a patent, and prototypes will lay the foundation for the domestic component base of energy storage and conversion devices, and will allow young people to gain a foothold in science.
-
Планируемые результаты:
Представленный Проект носит междисциплинарный характер, сочетая в себе работы в области синтеза электродных материалов и электролитных систем, инженерных разработок при дизайне электрохимических ячеек. В ходе реализации Проекта будут: 1. Синтезированы гель-полимерные электролиты на основе полимерных матриц поливинилового спирта (ПВС), поли(винилидендифторид-со-гексафторпропилена) (PVdF-HFP), полиакриламида (ПАА) и проводящих добавок (ионных жидкостей [EMIM][BF4], [EMIM][OTf], [EMIM][TFSI], [BMIM][TFSI] и неорганических солей Li/NaBF4, Li/NaOTf, LiTFSI), которые позволят улучшить электропроводность системы, в том числе при низких температурах (до -30°С); 2. Проведена модификация полимерной матрицы редокс-активными компонентами, введение которых позволит повысить ёмкостные и энергетические характеристики суперконденсаторов (СК) за счёт обратимых фарадеевских процессов во время заряда/разряда устройства. Также впервые будут получены гель-полимерные электролитные системы на основе новых ферроцен-содержащих органических солей; 3. Оптимизированы методики нанесения гель-полимерного электролита и монтажа СК сборок, которые позволят снизить контактное сопротивление на границе электрод/электролит и, соответственно, повысить эффективность работы СК в процессе использования в широком интервале температур (до -30°С). 4. Разработаны прототипы безопасных энергоёмких суперконденсаторов на основе модифицированных гель-полимерных электролитных систем. Методами циклической вольтамперометрии, гальваностатического заряд-разряда, спектроскопии импеданса будут изучены ёмкостные и мощностные характеристики, определены эксплуатационные параметры, включающие время саморазряда и длительность службы. Введение редокс-активных компонентов в полимерную матрицу и модификация электродного материала псевдоемкостными группами позволит повысить ёмкость (> 200 Ф/г) и достичь удельной энергии СК не менее 15 Вт ч/кг.
-
Научный задел:
Коллективом накоплен большой опыт в синтезе углеродных наноразмерных структур (углеродных нанотрубок, графеновых фрагментов, темплатных саж, активированных углей и др.), в том числе допированных кислородсодержащими группами, с использованием методов каталитического пиролиза органических прекурсоров в присутствии частиц переходных металлов или на поверхности оксидных мезопористых темплатов, для их использования при создании электродов суперконденсаторов, литий- и натрий-ионных батарей [Microporous and Mesoporous Materials 294 (2020) 109851, Journal of Energy Storage 30 (2020) 101464, Electrochimica Acta 353 (2020) 136463, Functional Materials Letters 13 (2020) 2040002, Journal of Power Sources 466 (2020) 228303, Russian Journal of Physical Chemistry A 95 (2021) 565, ACS Appl. Energy Mater. 6 (2023) 181–190, ACS Appl. Electron. Mater. 5 (2023) 5503–5512 и др.]. Также предложены и оптимизированы методики модификации таких структур, включающие гетерозамещение, пост-обработку допирующими агентами и активацию с использованием щелочей [Journal of Energy Storage 55 (2022) 105699, Applied Surface Science 484 (2019) 228–236, Applied Surface Science 439 (2018) 371–373 и др.]. Кроме того, члены коллектива заявки активно проводят работы по синтезу металл-оксидных наноматериалов, а также их композитов с углеродными наноструктурами для использования в составе устройств хранения и преобразования энергии [Materials Today: Proceedings 60 (2022) 1008–1011, Ionics 28 (2022) 3501–3509; Russ. J. Appl. Chem. 96 (2023) 1–7]. Участники проекта являются высококвалифицированными специалистами в области синтеза, характеризации и применения новых электролитных систем на основе ионных жидкостей [Electrochimica Acta 297 (2019) 842-849, Structural Chemistry 30 (2019) 451–456, Phys. Chem. Chem. Phys. 23 (2021) 23909-23921, Journal of Molecular Liquids 367 (2022) 120536, Journal of Molecular Liquids 346 (2022) 117095, Journal of Molecular Liquids 355 (2022) 118933 и др.].
- Добавил в систему: Савилов Сергей Вячеславович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 28 мая 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Гель-полимерные электролитные системы для низкотемпературных приложений: новое решение для симметричных суперконденсаторов |
| Результаты этапа: Задача 1. Функциональный дизайн гель-полимерных электролитов (ГПЭ) с различным содержанием проводящих добавок. (1.1) Разработаны и синтезированы гель-полимерные электролиты на основе поливинилового спирта (ПВС), пластификатора – пропиленгликоля (ПГ) и проводящей соли – бис(трифторметансульфонил)имида лития (LiTFSI) при варьировании доли соли в полимерной матрице (10 – 50 масс. %) и отношения ПВС:ПГ (от 8:1 до 4:5). С помощью инфракрасной (ИК) спектроскопии подтвержден химический состав полученных материалов и установлены закономерности изменения спектров в зависимости от состава. В отличие от LiTFSI, введение LiBF4 и NaBF4 более 10 масс. % в полимер приводит к кристаллизации соли на поверхности плёнки, что может создавать ограничения при практическом использовании. (1.2) Путём варьирования массового соотношения полимер:ионная жидкость от 1:1 до 1:4 получены ГПЭ на основе сополимера поли(винилидендифторид-со-гексафторпропилена) (PVdF-HFP) и ионной жидкости 1-этил-3-метилимидазолия тетрафторбората ([EMIM][BF4]). Методом ИК-спектроскопии показано, что введение [EMIM][BF4] приводит к сдвигу полос поглощения C–F полимерной матрицы. Задача 2. Определение влияния типа и концентрации проводящей добавки на значение температурной стабильности, температуры фазовых переходов и удельной электропроводности гель-полимерной системы. (2.1) Методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) для ГПЭ состава ПВС/ПГ/LiTFSI установлено, что температура стеклования электролитов находится в интервале 240–245 К, что ниже значения для чистого ПВС (348–358 К) и выше величины для ПГ (168 К). Уменьшение содержания LiTFSI в полимерной матрице приводит к снижению температуры стеклования и снижению скачка теплоемкости. С использованием термогравиметрического анализа (ТГА) показано, что основные стадии разложения ГПЭ ПВС/ПГ/LiTFSI соответствуют дегидратации и деструкции ПВС (360–650 К) и последующему разложению LiTFSI и ПГ (выше 550 К). Остаточная масса при 873 К коррелирует с содержанием соли. (2.2) В низкотемпературной области ГПЭ состава PVdF-HFP/[EMIM][BF4] с высоким содержанием ИЖ характеризуются наличием двух выраженных эндотермических пиков при 244 и 270 K, обусловленных плавлением соли и структурными переходами. В отличие от ПВС/ПГ/LiTFSI, термическая стабильность ГПЭ выше. Основная потеря массы ГПЭ PVdF-HFP/[EMIM][BF4] происходит при нагревании выше 673 К. Разложение протекает в несколько стадий, соответствующих параллельным процессам деструкции полимера и ионной жидкости. (2.3) При фиксированном содержании соли (10 масс. %) удельная электропроводность ПВС/ПГ/LiTFSI при 298 К возрастает с 0.005×10-2 до 9.93×10-2 мСм/см при увеличении доли пластификатора ПГ, что обусловлено снижением кристалличности плёнки. При фиксированном соотношении полимер/пластификатор рост доли LiTFSI от 20 до 50 масс.% приводит к увеличению удельной электропроводности, которая при 298 К для состава ПВС:ПГ=4:5 возрастает с 6.52×10-2 до 18.55×10-2 мСм/см. (2.4) Значения удельной электропроводимости ГПЭ PVDF-HFP:[EMIM][BF4] существенно превышают значения, полученные для систем на основе ПВС. При этом удельная электропроводность, как и в случае ПВС/ПГ/LiTFSI, растёт при увеличении доли ИЖ и температуры. Энергия активации ионной проводимости, рассчитанная по уравнению Аррениуса, снижается с увеличением содержания ионной жидкости: с 23.6 кДж/моль (PVDF-HFP:[EMIM][BF4] = 1:1) до 12.7 кДж/моль (PVDF-HFP:[EMIM][BF4] = 1:4), что указывает на улучшение процесса переноса заряда. Задача 3. Монтаж и испытание СК сборок на основе гель-полимерных электролитных систем. (3.1) Проведены пилотные электрохимические испытания прототипов суперконденсаторов (СК) двухэлектродной конфигурации на основе активированного угля YEC 8B и ГПЭ (ПВС:ПГ=4:5, 40 масс. % LiTFSI). Анализ электрохимических параметров СК проведён методами циклической вольтамперометрии и гальваностатического заряд/разряда. Установлено, что удельная ёмкость, рассчитанная интегрированием кривой разряда, составила 202 Ф/г. При этом значение удельной энергии достигло 43.9 Втч/кг при мощности 6 Вт/кг. Результаты выполнения работ в течение первого этапа опубликованы в научных изданиях в виде двух статей по тематике проекта, а также представлены в виде докладов на ведущих отечественных и международных конференциях. | ||
| 2 | 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. | Гель-полимерные электролитные системы для низкотемпературных приложений: новое решение для симметричных суперконденсаторов |
| Результаты этапа: - | ||
| 3 | 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. | Гель-полимерные электролитные системы для низкотемпературных приложений: новое решение для симметричных суперконденсаторов |
| Результаты этапа: - | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".