Печать
Просмотров: 9713

Научная группа профессора В.В. Кондратьева

Обновлено

Научная группа кафедры электрохимии

Электродные материалы для металл-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов и редокс-батарей

Состав группы

Руководитель научной группы

Вениамин Владимирович Кондратьев, д.х.н., профессор.

Состав группы

  • к.х.н., доцент Толстопятова Елена Геннадьевна;
  • к.х.н., доцент Елисеева Светлана Николаевна;
  • аспиранты Волков А.И., Каменский М.А.;
  • студент Выприцкая А.И.;
  • ведущий научный сотрудник Хольце Р.

Контактная информация

198504, Санкт-Петербург, Университетский пр., 26, Институт химии СПбГУ,
ком. 2202, 2216–2220. Тел.: (812) 4286900

Сотрудничество

  • проф. Gyozo Lang, Laboratory of Electrochemistry and Electroanalytical Chemistry, Eotvos Lorand University, Budapest, Hungary;
  • проф. Anthony J. Killard, Laboratory of Bioanalytical Electrochemistry, North-West University, Bristol, UK;
  • проф. Р. Хольце (г. Хемниц, Германия);
  • проф. Li Niu, Laboratory of Electroanalytical Chemistry, Changchun Institute of Applied Chemistry, China;
  • проф., чл. корр. Антипов Е.В., кафедра электрохимии МГУ, Москва;
  • проф. Алешин А.Н., Физико-технический институт им. Иоффе, Санкт-Петербург,
  • проф. Агафонов Д.В, Технологический институт им. Ленсовета (Технический университет), Санкт-Петербург,
  • проф. Сапурина И.Ю., Институт высокомолекулярных соединений РАН,
  • проф. Тимонов А.М., РГПУ им. А.И. Герцена.

Тематика научной группы

Направление научных исследований группы — Разработка перспективных электродных материалов для металл-ионных аккумулятолров, суперконденсаторов и редокс-батарей.

Целью работ является проведение фундаментальных и прикладных исследований в области разработки новых энергозапасающих материалов для химических источников тока, создание базовой передовой лаборатории, в которой будут решаться инженерные и научные задачи по созданию материалов и устройств электрохимического запасания энергии.

Экспериментальные и теоретические исследования сфокусированы на разработке научно-технологических основ получения новых электродных материалов для металл-ионных и других источников тока, изучении кинетики и механизма твердофазных процессов переноса заряда в таких материалах.

Основные исследования ведутся по трем направлениям:

1. Направленный дизайн новых электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов с улучшенными функциональными свойствами. Создание гибридных органо-неорганических материалов на основе проводящих полимеров и перезаряжаемых соединений переходных металлов (оксидов металлов, комплексов металлов) и разработки макетов литий-ионных аккумуляторов. Заметные успехи были достигнуты в разработке новых наноструктурированных материалов на основе LiFePO4, LiMn0.6Fe0.4PO4 и проводящего полимера поли-3,4-этилендиокситиофена. За счет поверхностного модифицирования зерен активных перезаряжаемых материалов проводящим полимером и введения ионопроводящих полиэлектролитов удалось получить катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов, характеристики которых превосходят опубликованные на сегодняшний день аналоги по емкости и скорости заряд-разрядных процессов. Получен патент РФ № 2584678 (В.В. Кондратьев, О.В. Левин, Е.Г. Толстопятова, С.Н. Елисеева, Е.В. Алексеева «Композитный катодный материал для литий-ионных батарей»). Ведутся исследования новых анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта и сульфида молибдена, а также исследования материалов для натрий-ионных аккумуляторов на основе гесацианоферрата марганца.

pr1 4

2. Разработка новых электродных материалов для литий-ионных систем на основе проводящих полимеров с ковалентно связанными хиноновыми заместителями в цепи и полимерных анионов-допантов с хиноновыми заместителями. Исследованы композитные полимерные материалы на основе проводящего полимера поли-3,4-этилендиокситиофена (PEDOT) с анионом поли(3,4-дигидрокситиолсульфоновой) кислоты (PDHS-SO3-). С использованием электрохимических кварцевых микровесов изучена стехиометрия редокс-процессов в композитах. Кинетика электрохимических процессов изучена с использованием спектроскопии электрохимического импеданса. По этому направлению работ впервые разработан способ синтеза поли(3,4-дигидроксистирола) и его сульфированной формы и подана заявка на патент «Анионный полимер, содержащий орто-хиноновый фрагмент, и способ его получения» на изобретение, которое относится к технологии получения полимеров и полиэлектролитов на их основе. Создана новая полимерная электродная композиция на основе производных политиофена и производных поли(3,4-дигидроксиcтиролсульфоновой) кислоты, обладающая заметной удельной емкостью и высокими скоростями заряд-разряда, по которой подана заявка на патент «Полимерные полихинон-политиофеновые композиции для электрохимических источников тока».

3. Разработки материалов и макетов суперконденсаторов на основе быстро перезаряжаемых гибридных органо-неорганических материалов, состоящих из проводящих полимеров, перезаряжаемых соединений переходных металлов (оксидов металлов) и углеродных активных добавок.

В рамках развития направления работ по разработке материалов для фарадеевских суперконденсаторов опубликован обширный обзор литературы по таким материалам [L. Fu, Q. Qu, R. Holze, V.V. Kondratiev, Y. Wu, Composites of metal oxides and intrinsically conducting polymers as supercapacitor electrodes: The best of both worlds? // J. Mater. Chem. A 7 (2019) 14937-14970. DOI: 10.1039/C8TA10587A (IF 10.733)], который создает основу для выбора новых перспективных систем и развития подходов к их исследованию.

Проводятся текущие исследования функциональных характеристик гибридных органо-неорганических материалов для суперконденсаторов на основе перезаряжаемых соединений переходных металлов (оксиды вольфрама, двойные оксиды кобальта и никеля, сульфид молибдена), проводящих полимеров (поли-3,4-этилендиокситиофен) и углеродных добавок. Разрабатываемые металл-полимерные нанокомпозитные материалы перспективны для применения в целом ряде областей науки и техники, в частности, как катализаторы электрохимических процессов, как энергоемкие электродные материалы для разработки новых энергозапасающих устройств (батареи, суперконденсаторы).

В каждом из этих направлений у нас есть свои оригинальные подходы, которые привели к достижениям в улучшении функциональных характеристик материалов и создали перспективные области для продолжения исследований. Приглашаются студенты, магистранты и аспиранты для реализации успешной научной карьеры в одном из направлений группы.

pr1 1pr1 2pr1 3

Проекты группы

Наши проекты

  1. Проект РФФИ 2019–2021 гг. «Композитные энергозапасающие и электрохромные материалы на основе поли-3,4-этилендиокситиофена и оксида вольфрама», руководитель — В.В. Кондратьев
  2. Проект СПбГУ, Мероприятие 3, «Разработка перспективных материалов для электрохимических источников тока», 2018–2020 гг. Руководители проекта — ведущий ученый профессор Рудольф Хольце (Германия) и профессор В.В. Кондратьев
  3. Проект РФФИ 2020–2022 гг. (№ 20-33-90143, аспирант Волков А.И.) «Композитные электродные материалы на основе дисульфида молибдена для литий-ионных аккумуляторов», руководитель — В.В. Кондратьев
  4. Проект РФФИ 2016–2018 гг. «Нанокомпозитные энергозапасающие материалы на основе интеркалируемых оксидов переходных металлов и поли-3,4-этилендиокситиофена», руководитель — В.В. Кондратьев
  5. Договор с АО Гириконд, 2020, «Выполнение работ по разработке состава электропроводного полимерного материала и способа его нанесения для изготовления танталовых чип-конденсаторов, руководитель — В.В. Кондратьев

Основные публикации

Избранные недавние публикации

1. M.A. Kamenskii, A.I. Vypritskaya, S.N. Eliseeva, A.I. Volkov, V.V. Kondratiev Enhanced electrochemical properties of Co3O4 anode with PEDOT:PSS/CMC binder // Materials Lett. 282 (2021) 128658. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128658

kondratiev1

В работе представлены аноды Co3O4 с водорастворимым связующим, состоящим из комбинации дисперсии проводящего полимера поли-3,4-этилендиокситиофен / полистиролсульфонат (PEDOT:PSS) и карбоксиметилцеллюлозы (CMC), имеющие превосходные электрохимические характеристики. Этот электродный материал показывает сверхвысокое значение емкости 1200 мА·ч/г, что превышает его теоретическую емкость (890 мА·ч/г). Он также демонстрирует отличную стабильность во время непрерывного циклирования при токе 0.2 C (потеря емкости составляет около 4–5%) и не имеет значительных потерь емкости при высоких плотностях тока. Длительные вольтамперометрические измерения показали, что аноды Co3O4, содержащие в связующем проводящий полимер PEDOT:PSS, имеет меньшие изменения формы кривых ЦВА, чем анодные материалы со связующим поливинилиденфторидом и другим водорастворимым связующим — смесью CMC с поли(акриловой кислотой).

2. S.N. Eliseeva, M.A. Kamenskii, E.G. Tolstopyatova, V.V. Kondratiev Effect of Combined Conductive Polymer Binder on the Electrochemical Performance of Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries (Review) // Energies 13 (2020) 2163. DOI: 10.3390/en13092163

kondratiev2kondratiev3

Electronic and ionic transport scheme for individual particles of active material in the media of PVDF and PEDOT:PSS/CMC.

В обзоре представлено краткое изложение хода наших текущих исследований влияния проводящих связующих на электрохимические свойства интеркаляционных электродов, с особым вниманием к механизмам эффектов связующего. На основе литературы и наших собственных опубликованных исследований проведен сравнительный анализ влияния трех различных связующих (PEDOT:PSS/CMC, CMC, PVDF) на емкостные характеристики ряда положительных и отрицательных электродов на основе оксидов и фосфатов для литий-ионных аккумуляторов. Было показано, что комбинированное связующее PEDOT:PSS/CMC может рассматриваться как универсальный компонент материалов электродов литий-ионных аккумуляторов (как для положительных, так и для отрицательных электродов), эффективный в широком диапазоне электродных потенциалов.

3. D.V. Zhuzhelskii, E.G. Tolstopjatova, S.N. Eliseeva, A.V. Ivanov, S. Miao, V.V. Kondratiev Electrochemical properties of PEDOT/WO3 composite films for high performance supercapacitor application // Electrochim. Acta 209 (2019) 182-190. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.01.007

kondratiev4

Оксид вольфрама был электрохимически осажден из метастабильного кислого раствора изополивольфрамата на стеклоуглеродные электроды, модифицированные пленкой проводящего полимера поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT). Процессы электрохимического синтеза пленки PEDOT и формирования композитной пленки PEDOT/WO3 во время электрохимического осаждения WO3 в полимерную матрицу контролировали гравиметрически с помощью метода электрохимических кварцевых микровесов. Исследования морфологии композитов PEDOT/WO3 показывают дисперсное распределение осадков WO3 в пористой матрице PEDOT, обладающей большой площадью поверхности и объемом пор, эффективными для переноса заряда. Электрохимические исследования композитов PEDOT/WO3 в 0.5 М H2SO4 показали, композитный материала PEDOT/WO3 характеризуется высокой скоростью переноса заряда. WO3 как компонент композитных электродов PEDOT/WO3 имеет высокую удельную емкость 689 Ф/г. В данной работе представлен простой подход к синтезу композитных материалов PEDOT/WO3 с высокими значениями удельной емкости. Полученные результаты показывают, что композит PEDOT/WO3 может быть перспективным электродным материалом для применения в суперконденсаторах.

Недавние публикации научной группы

2020 г.

  1. 1. S.N. Eliseeva, M.A. Kamenskii, E.G. Tolstopyatova, V.V. Kondratiev Effect of combined conductive polymer binder on the electrochemical performance of electrode materials for lithium-ion batteries // Energies 13 (2020) 2163. DOI: 10.3390/en13092163
  2. 2. A.I. Volkov, S.N. Eliseeva, E.G. Tolstopjatova, V.V. Kondratiev Enhanced electrochemical performance of MoS2 anode material with novel composite binder // J. Solid State Electrochem. 24 (2020) 1607-1614. DOI: 10.1007/s10008-020-04701-3
  3. 3. D.V. Zhuzhelskii, E.G. Tolstopjatova, A.I. Volkov, S.N. Eliseeva, G.G. Láng, V.V. Kondratiev Insights on the electrodeposition mechanism of tungsten oxide into conducting polymers: Potentiostatic vs. Potentiodynamic deposition // Synthetic Metals 267 (2020) 116469. DOI: 10.1016/j.synthmet.2020.116469
  4. 4. Y. Wu, R. Holze Gibtesgrünen Wasserstoff oder Null-Emissions-Fahrzeuge? // Bunsen-Magazin 22 (2020) 53-56. DOI: 10.26125/5sjf-6166
  5. 5. E.V. Shkreba, R.V. Apraksin, E.G. Tolstopjatova, V.V. Kondratiev Cathode material for sodium-ion batteries based on manganese hexacyanoferrate: the role of the binder component // J. Solid State Electrochem. 2020. DOI: 10.1007/s10008-020-04746-4
  6. 6. S. Gao, L. Yang, J. Shao, Q. Qu, Y. Wu, R. Holze Construction of hierarchical hollow MoS2/carbon microspheres for enhanced lithium storage performance // J. Electrochem. Soc. 167 (2020) 100525. DOI:10.1149/1945-7111/ab98b0
  7. 7. Y. Ge, J. Roscher, R. Holze Increased capacitance of metal oxide-based supercapacitor electrodes caused by surfactant addition to the electrolyte solution // J. Nanosci. Nanotechnol. 20 (2020) 7544-7552. DOI:10.1166/jnn.2020.18589
  8. 8. S. Gao, L. Yang, Z. Liu, J. Shao, Q. Qu, M. Hossain, Y. Wu, P. Adelhelm, R. Holze Carbon-coated SnS nanosheets supported on porous microspheres as negative electrode material for sodium-ion batteries // Energy Technology 8 (2020) 2000258. DOI: 10.1002/ente.202000258
  9. 9. R. Holze, Y. Wu Why do Lithium-Ion-Batteries age? (Warum altern Lithium-Ionen-Batterien?) // Chem. Unserer Zeit 54 (2020) 180-187. DOI: 10.1002/ciuz.201900044
  10. 10. R. Holze Electrochemistry: quo vadis or where should we head to? // J. Solid State Electrochem. 24 (2020) 2087–2088. DOI: 10.1007/s10008-020-04587-1
  11. 11. R. Holze Composites and copolymers containing redox-active molecules and intrinsically conducting polymers as active masses for supercapacitor electrodes — an introduction // Polymers 12 (2020) 1835. DOI: 10.3390/polym12081835
  12. 12. Y. Fu, M. Zheng, Q. Li, L. Zhang, S. Wang, V.V. Kondratiev, B. Jiang Interfacial engineering by creating Cu-based ternary heterostructures on C3N4 tubes towards enhanced photocatalytic oxidative coupling of benzylamines // RSC Adv. (2020) 28059-28065. DOI: 10.1039/d0ra03164j
  13. 13. M.A. Kamenskii, A.I. Vypritskaya, S.N. Eliseeva, A.I. Volkov, V.V. Kondratiev Enhanced electrochemical properties of Co3O4 anode with PEDOT:PSS/CMC binder for lithium-ion batteries // Materials Lett. 282 (2021) 128658. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128658

2019 г.

  1. 1. E.V. Shkreba, S.N. Eliseeva, M.A. Kamenskii, E.G. Tolstopjatova, V.V. Kondratiev, Electrochemical performance of lithium titanate anode fabricated using water-based binder // Mendeleev Comm. 29 (2019) 105-107. DOI: 10.1016/j.mencom.2019.01.036
  2. 2. D.V. Zhuzhelskii, E.G. Tolstopjatova, S.N. Eliseeva, A.V. Ivanov, S. Miao, V.V. Kondratiev Electrochemical properties of PEDOT/WO3 composite films for high performance supercapacitor application // Electrochim. Acta 209 (2019) 182-190. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.01.007
  3. 3. D.V. Zhuzhel’skii, E.G. Tolstopyatova, N.E. Kondrat’eva, S.N. Eliseeva, V.V. Kondrat’ev, Effect of electrode material on electrodeposition of tungsten oxide // Russ. J. Applied Chem. 92 (2019) 1006–1012. DOI: 10.1016/j.ssi.2019.01.011
  4. 4. S.N. Eliseeva, E.V. Shkreba, M.A. Kamenskii, E.G. Tolstopjatova, R. Holze, V.V. Kondratiev, Effects of conductive binder on the electrochemical performance of lithium titanate anodes // Solid State Ionics 333 (2019) 18-29. DOI: 10.1016/j.ssi.2019.01.011
  5. 5. L. Fu, Q. Qu, R. Holze, V.V. Kondratiev, Y. Wu Composites of metal oxides and intrinsically conducting polymers as supercapacitor electrodes: The best of both worlds? // J. Mater. Chem. A 7 (2019) 14937-14970. DOI: 10.1039/C8TA10587A
  6. 6. S. Miao, E. G. Tolstopyatova, V. V. Kondratiev, Redox processes involving quinones on poly-3,4-ethylenedioxythiophene-modified glassy carbon surface // Russ. J. General Chem. 89 (2019) 266–270. DOI: 10.1134/S1070363219020166
  7. 7. D.A. Lukyanov, R.V. Apraksin, A.N. Yankin, P.S. Vlasov, O.V. Levin, E.G. Tolstopjatova, V.V. Kondratiev Synthesis and electrochemical properties of poly(3,4-dihydroxystyrene) and its composites with conducting polymers // Synthetic Metals 256 (2019) 116151. DOI: 10.1016/j.synthmet.2019.116151
  8. 8. M.A. Kamenskii, S.N. Eliseeva, E.G. Tolstopjatova, A.I. Volkov, D.V. Zhuzhelskii, V.V. Kondratiev The advantages of mass normalized electrochemical impedance spectra for the determination of the kinetic parameters of LiMn2O4 cathodes // Electrochim. Acta 326 (2019) 134969. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.134969
  9. 9. M.A. Kamenskii, V.V. Kondratiev, S.N. Eliseeva, R. Holze, Performance of negative lithium titanate electrodes containing minimized amounts of conducting polymer and modified guar gum as binder // J. Electrochem. Soc. 166 (2019) A3354-A3361 DOI: 10.1149/2.0791914jes
  10. 10. D.V. Zhuzhelskii, E.G. Tolstopjatova, A.I. Volkov, S.N. Eliseeva, V.V. Kondratiev Microgravimetrical study of electrochemical properties of PEDOT/WO3 composite films in diluted sulfuric acid // J. Solid State Electrochem. 23 (2019) 3275–3285. DOI: 10.1007/s10008-019-04432.
  11. 11. M. A. Kamenskii, S. N. Eliseeva, V.V. Kondratiev Effect of long-term cycling on impedance spectra of LiMn2O4-electrodes // ECS Trans. 95 (2019) 121-127. DOI: 10.1149/09501.0121ecst
  12. 12. R. V. Apraksin, S. N. Eliseeva, M. A. Kamenskii, E. G. Tolstopyatova, G. G. Lang, V. V. Kondrat’ev, Impedance of LiFe0.4Mn0.6PO4 electrodes with combined conducting polymer binder of PEDOT:PSS and carboxymethyl cellulose // Russ. J. Electrochem. 55 (2019) 1047–1057. DOI: 10.1134/S1023193519110028
  13. 13. K.J. Szekeres, É. Fekete, M. Ujvári, S. Vesztergom, V.V. Kondratiev, G.G. Láng Some observations on the electrochemical reactions of bisphenol A on polycrystalline gold in contact with 0.1 M aqueous NaClO4 solution // Russ. J. Electrochem. 55 (2019) 1127-1135. DOI: 10.1134/S1023193519110132

2018 г.

  1. 1. G.G. Láng, V. Kondratiev, M. Ujvári, S. Vesztergom, K.Szekeres, D. Zalka Structural changes during the overoxidation of poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) films electrodeposited from surfactant-free aqueous solutions. In: K.Wandelt (Ed.) Encyclopedia of Interfacial Chemistry: Surface Science and Electrochemistry, Vol. 5, Elsevier Inc., 2018, pp. 258–270.
  2. 2. K.A. Vorobeva, S.N. Eliseeva, R.V. Apraksin, M.A. Kamenskii, E.G. Tolstopjatova, V.V. Kondratiev Improved electrochemical properties of cathode material LiMn2O4 with conducting polymer binder // J. Alloys Compd. 766 (2018) 33-44. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.06.324
  3. 3. D.V. Zhuzhel’skii, K.D. Yalda, V.N. Spiridonov, R.V. Apraksin, V.V. Kondrat’ev Synthesis and special features of electrochemical behavior of tungsten oxide deposited on various substrates // Russ. J. General Chem. 88 (2018) 520-527. DOI: 10.1134/S1070363218030209
  4. 4. M.A. Kamensky, S.N. Eliseeva, G. Láng, M. Ujvári, V.V. Kondratiev Electrochemical properties of overoxidized poly-3,4-ethylenedioxythiophene // Russ. J. Electrochem. 54 (2018) 893–901. DOI: 10.1134/S1023193518130219
  5. 5. A.O. Nizhegorodova, S.N. Eliseeva, E.G. Tolstopjatova, G.G. Láng, D. Zalka, M. Ujvári, V.V. Kondratiev EQCM study of redox properties of PEDOT/MnO2 composite films in aqueous electrolytes // J. Solid State Electrochem. 22 (2018) 2357–2366. DOI: 10.1007/s10008-018-3950-y

Патенты

  1. В.В. Кондратьев, С.Н. Елисеева, Е.Г. Толстопятова, А.О. Нижегородова, Электрохимическая ячейка для синтеза нанокомпозитных материалов // Патент РФ № 149730, 2015. Бюл. № 2.
  2. В.В. Кондратьев, С.Н. Елисеева, Е.Г. Толстопятова, А.О. Нижегородова, Способ получения нанокомпозитных материалов и устройство для его реализации // Патент РФ № 2568807, 2015. Бюл. № 32.
  3. В.В. Кондратьев, О.В.Левин, Е.Г. Толстопятова, С.Н. Елисеева, Е.В. Алексеева, Композитный катодный материал для литий-ионных батарей // Патент РФ № 2584678, 2016. Бюл. № 14.