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, LiMn_0.6Fe_0.4PO₄ 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

Недавние проекты

В 2021–2023 гг. в научной группе выполнялись исследования по двум грантам РФФИ.

«Улучшение функциональных характеристик водных цинк ионных аккумуляторов за счет модифицирования катодов проводящим полимером». Руководитель Кондратьев В.В.

«Экологичные и бюджетные гель-полимерные электролиты на основе природных полимеров для литий ионных аккумуляторов». Руководитель Елисеева С.Н.

2023–2024 гг. Выполняется грант РНФ «Электрохимические свойства дефектной структуры ZnFe₂O₄ с кислородными вакансиями». Руководитель Елисеева С.Н.

Исследования по проектам были направлены на разработку новых катодных и анодных материалов для водных цинк-ионных аккумуляторов с улучшенными функциональными свойствами и гель-полимерных электролитов. В ходе их выполнения были получены по следующие основные результаты:

1. Разработан ряд методов химического и электрохимического синтеза новых композитных органо-неорганических катодных материалов для цинк-ионных аккумуляторов на основе оксидов ванадия и марганца. Полученные репрезентативные образцы материалов охарактеризованы различными структурно-химическими методами, включая методы рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

2. Методами циклической вольтамперометрии и гальваностатического заряда-разряда изучены функциональные электрохимические свойства полученных материалов на основе оксидов марганца и оксидов ванадия (V₂O₅, NaxV₂O₅, CoxV₂O₅) с различными способами включения в состав этих материалов проводящего полимера поли-3,4-этилендиокситиофена. Показано, что наиболее высокие величины емкости наблюдаются для композитных электродных материалов, полученных при модифицировании зерен активного материала оболочкой из химически стабильного проводящего полимера PEDOT. Достигнуты величины удельной емкости для материалов на основе оксидов марганца 250–300 мАч/г и для материалов на основе оксидов ванадия 300–390 мАч/г.

3. Для раскрытия механизма влияния добавок полимерных модификаторов на электрохимические свойства катодов проведено систематическое изучение кинетики процессов транспорта заряда в исследуемых материалах методом спектроскопии электрохимического импеданса.

Основные публикации

Избранные 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.

В 2022 году опубликовано 10 статей, из них 6 в журналах первого квартиля (Q1), и 12 тезисов докладов на международных и российских конференциях. Получено 2 патента. Сделано 4 устных доклада на конференциях.

Ключевые публикации группы в 2022–2023 гг.

1. Fan W., Sun Z., Yuan Y., Yuan X., You C., Huang Q., Ye J., Fu L., Kondratiev V., Wu Y. Journal of Materials Chemistry A. — 2022. — V.10. — P. 7645-7652. (IF 14.511, Q1, SJR 3.1)
2. Volkov F.S., Eliseeva S.N., Kamenskii M.A., Volkov A.I., Tolstopjatova E.G., Glumov O.V., Fu L., Kondratiev V.V. Nanomaterials. 2022 V. 12. : 3896. (IF 5.719, Q1).
3. Kamenskii M.A., Volkov F.S., Eliseeva S.N., Holze R., Kondratiev V.V. Journal of The Electrochemical Society. — 2023. V. 170. — Article Number: 010505. ( IF 4,316, Q1)
4. Lu X., Xu H., Yang P., Xiao L., Li Y., Ma J., Li R., Liu L., Liu A., Kondratiev V., Levin O., Zhang J., An M. // Applied Catalysis B: Environmental. 2022. V.313. Article Number: 121454 (IF 19.503, SJR 4.67, Q1).
5. S. Hadad, M. Hamrahjoo, E. Dehghani, M. Salami-Kalajahi, S.N. Eliseeva, A.R. Moghaddam, H. Roghani-Mamaqani, Sustain. Mater. Technol. 33 (2022). (IF 10.681, Q1);
6. S. Hadad, M. Hamrahjoo, E. Dehghani, M. Salami-Kalajahi, S.N. Eliseeva, A.R. Moghaddam, H. Roghani-Mamaqani, Appl. Energy. 324 (2022). (IF 11.446, Q1).
7. M.A. Kamenskii, F.S. Volkov, S.N. Eliseeva, R. Holze, V. V Kondratiev, J. Electrochem. Soc. 170 (2023). (IF 4.386, Q1).

Выпускники

Выпускники группы

• Елисеева С.Н., канд. химических наук
• Толстопятова Е.Г., канд. химических наук
• Левин О.В., канд. химических наук
• Нижегородова А.О., канд. химических наук
• Погуляйченко Н.А. канд. химических наук
• Тихомирова А.В., канд. химических наук
• Курдакова В.В., канд. химических наук
• Бабкова Т.А., канд. химических наук
• Смолин А.М., канд. химических наук
• Шевалдышева Д.И. канд. химических наук
• Апраксин Р.В. канд. химических наук
• Шкреба Е.Н.
• Воробьева К.А.
• Меньшиков И.Н.
• Тарковская М.В.
• Седунова А.А.
• Гидзинский Р.В.
• Антонов Н.Ю.
• Спиридонова Д.В.
• Панова К.Ю.
• Трофимова Я.В.
• Серебренников Ю.А.
• Наумова Т.Э.
• Зеленина О.М.
• Волков А.И.
• Каменский М.А.