На главную
Русский English
ГоловнаНАУКОВІ ПІДРОЗДІЛИВІДДІЛ ВІЛЬНИХ РАДИКАЛІВНАУКОВО-ТЕХНІЧНІ РОЗРОБКИ ВІДДІЛУ ВІЛЬНИХ РАДИКАЛІВ

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ РОЗРОБКИ ВІДДІЛУ ВІЛЬНИХ РАДИКАЛІВ

Нові органо-неорганічні нанокомпозитні катодні матеріали для літієвих хімічних джерел струму

Призначення.

Літій- та літій-іонні акумулятори різного функціонального призначення, зокрема для живлення портативної електронної техніки.

Характеристики.

Гібридні органо-неорганічні нанокомпозити на основі електропровідних полімерів (поліаніліну, поліпіролу, політіофену), графену та електроактивних сполук перехідних металів (V2O5, LiFePO4 та ін.). Розрядна ємність на рівні 250-300 мА×год/г за умов тривалого циклування як активної компоненти катодних мас літієвих акумуляторів, в тому числі з високою густиною струму.

Переваги.

Перевагами над існуючими аналогами є більш високі питома ємність (на 25–70%) та стійкість до деградації (здатність витримувати високострумові навантаження), покращені швидкісні характеристики, простота технологій одержання та менша вартість.

Патенти України №№ 108458, 109860, 111352

fig10

Циклування заряду-розряду нанокомпозиційного катоду на основі поліпіролу та V2O5. 

Нові апротонні органічні електроліти для літієвих хімічних джерел струму з покращеними експлуатаційними характеристиками. 

Знайдено нові модифікуючі органічні добавки до апротонних органічних електролітів, що здатні ефективно стабілізувати роботу літієвого аноду в первинних та вторинних літієвих хімічних джерелах струму (ХДС). Такі добавки здатні утворювати захисні іон-провідні плівки на поверхні літієвого аноду та/або виступати в ролі інгібіторів небажаних вільно-радикальних процесів деструкції органічного електроліта. Тим самим вони сприяють покращенню роботи літієвого аноду в первинних та вторинних ХДС. Розроблені модифіковані склади апротонних органічних електролітів, що містять оптимальні кількості стабілізуючих добавок, які здатні покращувати експлуатаційні характеристики літієвих джерел струму:

  • стабільність вольт-амперних параметрів
  • підвищення енергоємності на 15-20%
  • термін експлуатації та зберігання 5-7 років
  • підвищення ефективності циклування для Li акумуляторів

Нові нанокомпозиційні електродні матеріали для суперконденсаторів.

Із застосуванням механохімічного підходу створено нанокомпозити на основі поліаніліну (ПАн) та наноструктурованих неорганічних сполук (графіту, MoS2 та WS2) питома ємність яких при використанні в симетричних суперконденсаторах (СК) перевищує ємність їх складових і досягає ~550 Ф/г протягом 10000 циклів заряду-розряду при високому струмовому навантаженні.

Більш високе значення питомої ємності, зокрема, СК на основі ПАн та наноструктурованого графіту (nG) (~ 340 Ф/г) в порівнянні з пристроями на основі ПАн, отриманого традиційним шляхом (~ 120 Ф/г), обумовлено не тільки механохімічним способом синтезу композиту, а й можливістю специфічної взаємодії між макромолекулами ПАн і графеновими шарами nG. Присутність частинок nG в об’ємі ПАн призводить до суттєвої стабілізації СК в процесі його тривалого циклування (при оптимальній робочий напрузі 0.65 В) та зменшує його саморозряд (на 15%) порівняно з СК на основі індивідуального ПАн. Симетричний СК на основі ПАн/nG проявляє також високі швидкісні характеристики, здатний функціонувати при високих струмових навантаженнях на рівні 30 А/г, віддаючи при цьому ємність ~ 310 Ф/г, а його питома потужність може досягати ~ 10 кВт/кг при величині щільності енергії ~ 18 Вт год/к.

Широкий асортимент електропровідних безметальних органічних полімерів та нанокомпозитів на їх основі різного функціонального призначення.

Створено наукові засади одержання широкого асортименту електропровідних безметальних органічних полімерів (поліаніліну, поліпіролу, політіофену, поліфеніленвінілену, їх заміщених структурних аналогів тощо), композиційних та нанокомпозиційних матеріалів на їх основі, електропровідних тканин та ін. Розроблені електропровідні матеріали, завдяки комплексу унікальних властивостей – мала питома вага (0,5 - 2,0 г/см3), можливість варіювання електропровідності в широких межах (10-4 - 102 См/см), оберненість електрохімічних редокс-перетворень, здатність поглинати ЗВЧ випромінювання, вибіркова чутливість до хімічних речовин, висока технологічність, низька вартість, використання при синтезі доступної сировини, можливість заміни дефіцитних напівпровідникових матеріалів та коштовних металів тощо, відкриває широкі можливості застосування таких матеріалів для різних галузей промисловості.

На базі даної розробки можуть бути створені елементи нового покоління мікро- та молекулярної електроніки (діоди Шотткі, польові транзистори, швидкодіючі молекулярні перемикачі, високоємні конденсатори та ін.), нові чутливі елементи хімічних та біохімічних сенсорів, активні електродні матеріали для хімічних джерел струму, захисні екрани електромагнітного випромінювання, електролюмінісцюючі діоди, фото- та електрохромні пристрої, каталізатори різних хімічних та електрохімічних процесів тощо.  

Гібридні органо-неорганічні нанокомпозити на основі електропровідних полімерів (ПАн, ППі, ПТф та ін.) та електрохімічно активних сполук перехідних металів (V, Mo та ін.), які можуть бути застосовані для створення літій та літій-іонних акумуляторів різного функціонального призначення, зокрема для портативної електронної техніки. Їх перевагою над катодними матеріалами, які зараз використовуються (індивідуальні та змішані оксиди марганцю, нікелю, кобальту) на практиці, є підвищена на 25–70% питома ємність, подовжений час циклювання, покращені швидкісні характеристики розряду-заряду, простота одержання, менша токсичність (у порівнянні з матеріалами на основі кобальту), менша вартість (у порівнянні з матеріалами на основі кобальту та/або нікелю).

Багатокомпонентні Co-N-C електрокаталізатори відновлення кисню (металполімерні та карбонізовані) на основі азотвмісних супряжених полімерів (структурні аналоги ПАн та ППі), кобальту та нанорозмірних вуглецевих матеріалів, які можуть бути використані в низькотемпературних воднево-кисневих та спиртових паливних комірках, в тому числі з твердополімерним електролітом. Їх перевагами є низька вартість, оскільки вони не містять у складі благородних металів, та здатність до стабільного функціонування.

Гібридні нанокомпозити на основі графенів (графеноподібних матеріалів) та електропровідних полімерів для використання в якості електродів суперконденсаторів, що дає змогу створювати пристрої з високою питомою ємністю (~400–550 Ф/г), яка значно перевищує таку для комерційних електрохімічних конденсаторів на основі активованого вугілля (≤100 Ф/г).

Розроблено механохімічний спосіб одержання гібридних та неорганічних перовскітів, який не потребує використання агресивних середовищ, органічних розчинників або високих температур. Кристалічні плівки таких первоскітів можуть бути використані в оптоелектронних пристроях – соняних комірках, свтловипромінювальних діодах тощо.

Одержані гетероструктури діоксиду титану з ультрамалими наночастинками селеніду кадмію та нестехіометричного сульфіду індію-міді можуть бути використані як активні компоненти для фотоелектрохімічних, фотокаталітичних та фотовольтаїчних систем для запасання та виробництва енергії. Перевагами отриманих фоточутливих гетероструктур є їх відносна дешевизна при одержанні у порівнянні з гетероструктурами на основі монокристалічного та полікристалічного кремнію, а також тонкоплівковими системами типу CdTe/CdS. Активований азотною кислотою графітоподібний нітрид вуглецю може бути використаний для фотокаталітичної деструкції високотоксичного компоненту ракетного палива –  несиметричного диметилгідразину, а також для фотокаталітичного одержання молекулярного водню з розчинів біоетанолу.

Патент США (US Patent No. 8,148,455 B2), патент Китаю (CN 102070782 B), патенти України №№ 111352, 109860, 108458, 96203, 96838, 79709, 78948.

Високоефективні та екологічно сприйнятливі механохімічні способи одержання 2D матеріалів (графену, оксидів графену, графеноподібних MoS2, WS2, BN, германану та ін.)

Розроблено ефективні і екологічно сприйнятливі оригінальні механохімічні способи одержання графену, а також його неорганічних аналогів (MoS2, WS2, BN, германану та ін.), що дозволяє отримувати дисперсії 2D наночастинок з високим вмістом моношарової фракції – перспективних матеріалів для наноелектроніки, запасання і перетворення енергії, сенсорики, каталізу та ін.

Показано можливість одержання графенів з різним ступенем окиснення (оксидів графену). шляхом механохімічної обробки суміші графіту з твердими окисниками, що дозволяє досягти як окислення графіту, так і його розшарування до оксида графену.

Розроблено «зелений» спосіб одержання графену, функціоналізованого азот-вмісними функціональними групами, який не потребує використання агресивних середовищ, органічних розчинників або високих температур. Модифікування зовнішньої границі графену азот-вмісними функціональними групами, обумовлює можливість досягнення високої концентрації та стабільність дисперсій такого графену у воді.

Патенти України №№ 110007, 110006, 104963, 77611, 71602.