Научная группа профессора В.В. Кондратьева
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.
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.
Проекты группы
Наши проекты
- Проект РФФИ 2019–2021 гг. «Композитные энергозапасающие и электрохромные материалы на основе поли-3,4-этилендиокситиофена и оксида вольфрама», руководитель — В.В. Кондратьев
- 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
- 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
- Проект РФФИ 2016–2018 гг. «Нанокомпозитные энергозапасающие материалы на основе интеркалируемых оксидов переходных металлов и поли-3,4-этилендиокситиофена», руководитель — В.В. Кондратьев
- 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
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
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
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. 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. 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. 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. Y. Wu, R. Holze Gibtesgrünen Wasserstoff oder Null-Emissions-Fahrzeuge? // Bunsen-Magazin 22 (2020) 53-56. DOI: 10.26125/5sjf-6166
- 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
- В.В. Кондратьев, С.Н. Елисеева, Е.Г. Толстопятова, А.О. Нижегородова, Электрохимическая ячейка для синтеза нанокомпозитных материалов // Патент РФ № 149730, 2015. Бюл. № 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.
- 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.