Лаборатория новых материалов для электрохимической энергетики Уфимского института химии Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук (УфИХ УФИЦ РАН) создана 1 октября 2021 г.  по результатам конкурсного отбора заявок научно-образовательных организаций на создание молодёжных лабораторий в организациях-участниках научно-образовательных центров (НОЦ) под руководством молодых перспективных исследователей в рамках Национального проекта «Наука и Университеты».  Заведующим лабораторией назначена кандидат химических наук Кузьмина Елена Владимировна.

Основные научные направления лаборатории:

– разработка активных материалов для отрицательных электродов литий-ионных и пост литий-ионных аккумуляторов на основе углеродного сырья техногенного и природного происхождения. Исследования механизмов процессов электрохимической интеркаляции/деинтеркаляции ионов щелочных и щелочноземельных элементов в углеродные материалы различной структуры.

– ионный транспорт и электродные процессы в жидких, полимерных и твердых электролитах для литий-ионных и пост литий-ионных электрохимических накопителей энергии

1. Влияние диапазона потенциалов заряда и разряда на электрохимическую ёмкость нефтяного кокса и графита / Е.В. Кузьмина, Н. В. Чудова, Н. В. Шакирова, В.С. Колосницын // Башкирский химический журнал. – 2021. – Т. 28, № 4. – С. 85-89, DOI 10.17122/bcj_2021_4_85_89
2. Влияние температуры термообработки на физико-химические и электрохимические свойства нефтяного кокса / Е. В. Кузьмина, Н. В. Чудова, Е. В. Карасева, В. С. Колосницын // Вестник БашГУ. – 2021. – Т. 26, №4. – С. 931-937. – DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2021.4.12
3. Theoretical Investigation of The Structure and Physicochemical Properties of Alkaline and Alkaline Earth Metal Perchlorate Solutions in Sulfolan / Yusupova A.R., Kuzmina E.V., Kolosnitsyn V. S. // The Journal of Physical Chemistry, 2022
4. The dynamic evolution of aggregated lithium dendrites in lithium metal batteries / Xin Shen, Rui Zhang, Shuhao Wang, Xiang Chen, Chuan Zhao, Elena Kuzmina, Elena Karaseva, Vladimir Kolosnitsyn, Qiang Zhang // Chinese Journal of Chemical Engineering. – 2021. – V. 21 – P.137-143 https://doi.org/10.1016/j.cjche.2021.05.008– по гранту РНФ 21-43-00006 под руководством д.х.н., проф. Колосницына В.С.
5. A perspective on energy chemistry of low-temperature lithium metal batteries / He Liu, Xinbing Cheng, Chong Yan, Zeheng Li, Chenzi Zhao, Rong Xiang, Hong Yuan, Jiaqi Huang, Elena Kuzmina, Elena Karaseva, Vladimir Kolosnitsyn, Qiang Zhang // iEnergy. – 2022. – V. 1, No. 1. – P. 72-81, doi: 10.23919/IEN.2022.0003.DOI  https://doi.org/10.23919/IEN.2022.0003– по гранту РНФ 21-43-00006 под руководством д.х.н., проф. Колосницына В.С.
6. Моделирование влияния концентрации на строение и физико-химические свойства растворов перхлората лития в сульфолане методом молекулярной динамики // Е. В. Кузьмина, Е. В. Карасева, Д. Эроглу, В. С. Колосницын // журнал Физической химии. – 2022. – Т. 96, № 5. – С. 676–686. DOI: 10.31857/S004445372205017X [Molecular Dynamics Simulation of the Concentration Effect on the Structure and Physicochemical Properties of Lithium Perchlorate Solutions in Sulfolane / Kuz’mina, E.V., Karaseva, E.V., Eroglu, D., Kolosnitsyn, V.S.Russian Journal of Physical Chemistry A, 2022, 96(5), стр. 993–1003] – по гранту РФФИ 21-53-46005 под руководством к.х.н. Карасевой Е.В.
7. Влияние поверхностной ёмкости положительных электродов на длительность циклирования литий-серных аккумуляторов / Е. В. Карасева, Д. В. Колосницын, Е. В. Кузьмина, В. С. Колосницын // Электрохимическая энергетика. – 2022. – Т. 22. – № 3. – С. 113-128. – DOI 10.18500/1608-4039-2022-22-3-113-128.
8. Исследование состава сольватных комплексов перхлората лития с сульфоланом методом вакуумной гравиметрии / Е. В. Карасева, А. А. Саввина, Е. В. Кузьмина [и др.] // Журнал физической химии. – 2022. – Т. 96. – № 1. – С. 70-75. – DOI 10.31857/S0044453722010150.
9. Кузьмина, Е. В. Исследования физико-химических свойств и строения 1M раствора LiClO 4 в сульфолане методом молекулярной динамики / Е. В. Кузьмина, Е. В. Карасева, В. С. Колосницын // Журнал физической химии. – 2022. – Т. 96. – № 1. – С. 86-95. – DOI 10.31857/S0044453722010174.
10. Влияние свойств углеродных материалов на удельную энергию и длительность циклирования литий-серных аккумуляторов / Е. В. Карасева, Е. В. Кузьмина, Н. В. Шакирова, В. С. Колосницын // Электрохимическая энергетика. – 2022. – Т. 22. – № 4. – С. 181-193. – DOI 10.18500/1608-4039-2022-22-4-181-193.

Электрохимия углеродных электродов на основе нефтяного кокса

Изучено влияние плотности тока и диапазонов зарядно-разрядного циклирования на электрохимическую ёмкость углеродных электродов на основе ТНК и графита в 1М LiPF₆ в смеси диметилкарбоната, этилметилкарбонат и этиленкарбоната (20:45:20% масс.) с добавкой винеленкарбоната (1%). Установлено, что при увеличении плотности тока с 0.2 мА/см² до 1 мА/см² разрядная емкость углеродных электродов из ТНК уменьшается на 52%, а электродов из графита – на 75%. При восстановлении плотности тока до 0.2 мА/см² разрядная емкость изученных углеродных электродов восстанавливается до начальных значений.

Установлено, что с увеличением потенциала окончания заряда от 10 до 200 мВ отн. Li/Li⁺ разрядная емкость электродов из ТНК линейно уменьшается с 300 до 160 мАч/г(С), а необратимая потеря ёмкости на 1-м цикле линейно увеличивается с 40 до 50%. Разрядная ёмкость электродов из графита при уменьшении потенциала окончания заряда экспоненциально снижается с 360 до 20 мАч/г(С), а необратимая потеря ёмкости экспоненциально увеличивается с 13 до 53%.

Теоретически оценена достижимая удельная энергия литий-серных (ЛСА) и литий-ионных (ЛИА) аккумуляторов для выбора наиболее перспективных активных материалов отрицательных электродов. Расчеты показали, что замена в ЛСА металлического Li электрода на электрод из ТНК уменьшает их удельную энергию вдвое. При замене графитового электрода на электрод из ТНК удельная энергия ЛИА снижается на 10-15%, но существенно повышается их безопасность за счет предотвращения образования мелкодисперсного металлического лития при заряде ЛИА

Применение функций распределения времени релаксации для анализа спектров электрохимического импеданса

Продолжены работы по разработке методологии анализа спектров электрохимического импеданса с помощью функции распределения времён релаксации (DRT Distribution of Relaxation Times,). Разработано и зарегистрировано программное обеспечение, предназначенное для расчета DRT функций и количественного определения параметров пиков на кривых DRT функций.

Методом DRT изучены спектры электрохимического импеданса Li-Li, Li-C, Mg-Mg ячеек. Показано, что при анализе импеданса методом DRT можно судить о строении поверхностных плёнок на электродах и оценивать свойства их отдельных слоёв.

Синтез и электрохимические свойства композитов сера-полианилин-углерод

Разработан метод синтеза, синтезированы композиты S-C-Полианилин и изучены их электрохимические свойства. Нанесение полианилина на поверхность композита S-C приводит к уменьшению глубины восстановления серы (разрядная емкость литий-серных ячеек 800 мАч/г) и увеличению перенапряжения электрохимического восстановления S и Li₂S_n, но увеличивает длительность циклирования литий-серных ячеек. Остаточная ёмкость на 100 цикле 90%.

Электролитные системы для магниевых электрохимических источников энергии

Методом молекулярной динамики, денситометрии, кондуктометрии и вискозиметрии изучены физико-химические свойства 0.5М растворов Mg(ClO₄)₂ в апротонных диполярных растворителях. Растворимость Mg(ClO₄)₂ в сульфолане, пропиленкарбонате и смеси пропиленкарбонат/ этиленкарбонат (1/1) составляет 1±0.1 М. Наибольшей вязкостью обладает 0.5М Mg(ClO₄)₂ в сульфолане 36.8 мПа∙с при 30℃, а наибольшей электропроводностью – 0.5М растворы Mg(ClO₄)₂ в пропиленкарбонате (30 10^-3 Ом^-1см^-1).

Безопасность электролитных систем для литий-ионных и пост литий-ионных аккумуляторов

Выполнена модернизация тигля анализатора температуры вспышки ПЭ-ТВ3 для уменьшения объема пробы. Коэффициент корреляции между измеренными температурами вспышки образцов в стандартном и модернизированном тиглях составил 99.6%, расхождение измеренных величин не превышает 1°С. Модернизация прибора позволила в 14 раз снизить расход образцов с сохранением точности измерения температуры вспышки

На основе исследовательских работ, проводимых в лаборатории получено 2 свидетельства о регистрации программы:

1. Свид. 2021668129 РФ. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. “ElChemLab, Data Analyzer” / Д.В. Колосницын; правообладатель УФИЦ РАН (RU). Опубл. 10.11.2021, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

Свид. 2022665869 РФ. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. “ElChemLab, DRT Analyzer” / Д.В. Колосницын; правообладатель УФИЦ РАН (RU). Опубл. 23.08.2022, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

Лаборатория сотрудничает с компаниями и научно-исследовательскими инстиутами, ВУЗами

• Российский научный фонд (Russian Science Foundation), Россия
• БашГУ
• УГНТУ
• УГАТУ
• Сигма Литиум (Sigma Lithium Ltd.), Великобритания
• Кембриджский университет (University of Cambridge), Великобритания
• Босфорский университет (Boğaziçi University), Турция
• Стамбульский технический университет (Istanbul Technical University), Турция
• Университет Цинхуа (Tsinghua University), Китай
• LG Chem, Корея
• ООО «ЭСТЕЙМ»
• ООО «РЭНЕРА»

1. Влияние диапазона зарядно-разрядного циклирования на разрядную емкость электродов на основе нефтяного кокса / Кузьмина Е. В., Чудова Н. В., Колосницын В. С. // Теория и практика процессов химической технологии (Марушкинские чтения): материалы VI Междунар. науч. конф. 2-е изд., дополн. / Редкол.: Просочкина Т.Р, Самойлов Н.А. и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2021. – С. 86-87
2. Кузьмина Е.В. Влияние атмосферы термообработки на физико-химические и электрохимические свойства нефтяного кокса / Е.В. Кузьмина, Н.В. Чудова, В.С. Колосницын // Перспективы инновационного развития химической технологии и инженерии: Материалы II Международной Российско-Азербайджанской научной конференции, посвящённой 880-летию Великого Азербайджанского поэта-просветителя Низами Гянджеви /Редкол.: Просочкина Т.Р, Самойлов Н.А. и др. – Изд-во УГНТУ, 2021. – С. 30-31.
3. Kuzmina E. Petroleum Coke as Active Material for Negative Electrodes of Lithium-Ion Batteries / E. Kuzmina, N. Chudova, V. Mishinkin, G. Kamalova, E. Karaseva, V. Kolosnitsyn. 73rd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry 12-16 September 2022, Online Meeting.
4. Кузьмина Е.В. Нефтяной кокс как активный материал отрицательного электрода для литий-ионных аккумуляторов с повышенной безопасностью / Е.В. Кузьмина, Н.В. Чудова, Г.Б. Камалова, В.Ю. Мишинкин, В.С. Колосницын // Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Тезисы докладов XVII международной конференции «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», Москва, 14-18 ноября 2022
5. Карасева Е.В. Сольватные комплексы полисульфидов лития. Состав, строение, свойства / Е.В. Карасева, Е.В. Кузьмина, Л.А. Храмцова, А.Н. Лобов, В.С. Колосницын / Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Тезисы докладов XVII международной конференции «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», Москва, 14-18 ноября 2022
6. Мишинкин В.Ю. О безопасности электролитных систем для литиевых и литий-ионных аккумуляторов / В.Ю. Мишинкин, Г.Б. Камалова, Е.В. Кузьмина, В.С. Колосницын // Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Тезисы докладов XVII международной конференции «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», Москва, 14-18 ноября 2022
7. Колосницын Д.В. Применение Спектров Времён Релаксации для Анализа Электрохимического Импеданса Литиевого Электрода / Д.В. Колосницын, Д.А. Осипова, Е.В. Кузьмина, Е.В. Карасева, В.С. Колосницын // Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Тезисы докладов XVII международной конференции «Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах», Москва, 14-18 ноября 2022

Контакты

Лаборатория новых материалов для электрохимической энергетики УфИХ УФИЦ РАН

Почтовый адрес: Россия, 450054, г. Уфа, Проспект Октября, 69

E-mail: kuzmina@anrb.ru