Синтез и характеризация новых наноструктурированных электродных материалов для хранения и преобразования энергии : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель Е. А. Стрельцов

Abstract

Объект исследования: электроды на основе оксидов переходных металлов (V, Mn), в которые осуществлялись интеркаляционно-деинтеркаляционные электрохимические процессы ионов металлов. Цель НИР: установление закономерностей электрохимической интеркаляции-деинтеркаляции катионов металлов (Zn2+ и др.) в композиционные материалы на основе наноструктурированных оксидов d-металлов для создания новых эффективных, стабильных и безопасных химических источников тока. В результате создан метод получения пленочных электродов на основе VO2 (полиморфная моноклинная модификация B) и восстановленного графен-оксида (проводящая добавка); впервые исследован процесс интеркаляции-деинтеркаляции катионов Zn2+. Обратимое внедрение Zn2+ дает зарядную емкость 290 мА·ч·г−1, что близко к теоретической емкости для данного материала 320 мА·ч·г−1. Путем анализа электрических эквивалентных схем определено сопротивление переноса заряда диффузионно-контролируемой реакции, константа Варбурга, емкость двойного электрического слоя и псевдоемкость фарадеевского процесса, связанного с твердофазной реакцией V+4 + e V+3. Предложенный новый тип химических источников тока характеризуется высокой временной стабильностью. Разработаны пленочные электроды на основе композиции ванадата натрия состава Na1,08V3O8 и высокодисперсного углерода. В данных катодах, также как и в VO2-катоды, происходит обратимый процесс интеркаляции-деинтеркаляции катионов Zn2+. Установлено, что при изменении электродного потенциала наблюдается качественный и количественный скачок свойств электрохимической системы. При потенциалах E > +0,8 В (относительно Zn2+/Zn0) процесс протекает с высокой скоростью и относительно низкой энергией активации (16 кДж/моль), в то время как при E < +0,8 В энергия активации возрастает до 85 кДж/моль, а скорость процесса уменьшается на 1–3 порядка. Обнаруженный эффект связан с формированием осадка основной соли на поверхности наночастиц ванадата. Исследован механизм интеркаляции-деинтеркаляции катионов цинка в MnO2-катоды в водном растворе ZnSO4; показано, что обратимость электрохимической системы связана с реакцией диcпропорционирования атомов Mn(+3), которые образуются при разрядке батареи, а также формированием осадка Zn4(OH)6(SO4)·5H2O при локальном изменении рН у поверхности катода. Оксогидроксид ванадия состава VO1,75(OH)0,5 предложен в качестве катода для натриевых ионных батарей. Электрод проявляет высокую удельную емкость (350 мА·ч·г−1 при скорости разрядки 1,55 А·г−1), стабильность (до 70 % после 200 циклов) и выход по току (100 %). Обратимые процессы интеркаляции-деинтеркаляции катионов металлов в исследованные оксидные наноструктуры ванадия и марганца могут быть использованы для создания нового поколения экологичных и безопасных аккумуляторных батарей с высокой зарядовой емкостью и стабильностью.