4.3.7.1. Научная проблема, на решение которой направлен проект.
Современные литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) обладают высокой энергетической плотностью, но их безопасность ограничена из-за риска теплового разгона, возгорания и взрыва. Одним из перспективных решений является использование полимерных слоев с регулируемой электропроводностью, которые способны адаптироваться к рабочим условиям аккумулятора, предотвращая критические режимы.
При этом архитектура электрода, содержащего полимерные слои с регулируемой электропроводностью, представляет собой многослойную структуру, состоящую из алюминиевой подложки, графитового слоя и активного электродного материала. Влияние каждого слоя на защитные свойства аккумулятора на данный момент неочевидно. Графитовый слой изначально был предложен для повышения адгезии полимера, однако он может выступать в роли медиатора для переноса заряда, обеспечивая перенос электрона с алюминия, поскольку типичный материал токоотводов аккумулятора, алюминий, покрыт тонкой диэлектрической пленкой оксида, которая влияет на распределение электрического поля вблизи межфазной границы, что критично для межфазного транспорта заряда. Однако, фундаментальные закономерности формирования таких полимерных слоев на поверхностях разной природы, влияние способа осаждения на перенос заряда и механизмы взаимодействия с электродными материалами остаются недостаточно изученными. Также отсутствуют надежные математические модели, позволяющие определить технологические допуски производства и оптимизировать состав, структуру и методы нанесения таких покрытий с учетом эксплуатационных режимов.
Проект направлен на разработку научных основ управления электропроводностью защитных полимерных слоев, изучение межфазных взаимодействий в многослойных электродах, развитие технологии нанесения покрытий и создание математических моделей переноса заряда, что обеспечит возможность оптимизации архитектуры аккумуляторов нового поколения с повышенной безопасностью и стабильностью работы.

4.3.7.2. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.
Рост спроса на литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) в транспорте, энергетике и портативной электронике требует разработки более безопасных и надежных решений, способных предотвращать критические режимы работы, такие как тепловой разгон. Одним из перспективных подходов является использование полимерных слоев с регулируемой электропроводностью, которые могут адаптироваться к рабочим условиям и улучшать эксплуатационные характеристики аккумуляторов.
Однако до сих пор не изучены фундаментальные механизмы формирования таких слоев, их влияние на перенос заряда и взаимодействие с материалами электродов. Отсутствие надежных математических моделей и численных методов мешает оценке приемлемых технологических допусков нанесения полимерных слоев, оптимизации структуры и параметров защитных покрытий, что ограничивает их промышленное применение.
Решение этой проблемы имеет высокую фундаментальную и прикладную значимость, так как:
• Расширит научные представления о межфазных взаимодействиях в многослойных электродах.
• Обеспечит новые инструменты моделирования переноса заряда, позволяя прогнозировать поведение защитных слоев в номинальном и аварийном режимах.
• Создаст научную базу для разработки защищенных ЛИА нового поколения, повышая их безопасность и долговечность.
Полученные результаты внесут вклад в развитие фундаментальной электрохимии, материаловедения и математического моделирования, а также могут быть использованы в промышленности при создании перспективных аккумуляторных систем.

4.3.7.3. Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб.
Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб
Проект направлен на разработку научных основ формирования полимерных слоев с регулируемой электропроводностью для повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Ключевая задача заключается в определении закономерностей переноса заряда в многослойных электродах и оптимизации методов нанесения полимерных покрытий, обеспечивающих стабильность работы аккумулятора в номинальном и аварийном режимах.
Для решения этой задачи необходимо:
• Выявить взаимосвязь между структурой полимерного слоя и его электропроводностью, учитывая влияние межфазных границ (алюминий/графит, графит/полимер).
• Разработать математическую модель переноса заряда в многослойных электродах с адаптивными покрытиями, позволяющую прогнозировать их поведение в разных режимах работы.
• Оптимизировать методы нанесения защитных слоев (электрохимическое осаждение, нанесение из суспензии) для достижения равномерности покрытия и воспроизводимых характеристик.
• Создать прототип защищенного ЛИА с архитектурой электрода, разработанной и оптимизированной на основе математического моделирования и экспериментальных данных.
Масштаб задачи выходит за рамки отдельных лабораторных исследований, так как ее решение позволит повысить безопасность и долговечность ЛИА, что критически важно для транспорта, энергетики и других высокотехнологичных отраслей. Результаты работы могут быть использованы при промышленном производстве аккумуляторов нового поколения, а также в дальнейших фундаментальных исследованиях в области электрохимии и материаловедения.
4.3.7.4. Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленной задачи и возможности получения запланированных результатов.
Научная новизна
Проект направлен на решение фундаментальной проблемы управления электропроводностью полимерных покрытий в многослойных электродах литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Научная новизна заключается в следующем:
• Впервые будут выявлены закономерности формирования полимерных слоев с регулируемой электропроводностью при различных методах нанесения и их влияние на номинальный и аварийный режимы работы ЛИА.
• Будет разработана математическая модель переноса заряда в многослойных электродах, учитывающая межфазные границы алюминий/графит и графит/полимер, а также адаптивные свойства полимерного покрытия.
• Будут исследованы физико-химические механизмы влияния метода нанесения полимерного покрытия (электрохимическое осаждение, осаждение из суспензии) на его структуру, адгезию и электропроводящие характеристики, включая контактное сопротивление.
• Впервые будет создан прототип защищенного литий-ионного аккумулятора с оптимизированной архитектурой электрода, разработанной на основе численного моделирования.
Обоснование достижимости решения поставленной задачи
Реализация поставленных задач возможна благодаря:
• Комплексному подходу, объединяющему экспериментальные исследования, математическое моделирование и компьютерное моделирование, что позволит получить количественные зависимости между параметрами полимерного покрытия и его свойствами.
• Использованию современных методов анализа: электронная микроскопия (SEM, AFM), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS), циклическая вольтамперометрия (CV) позволят установить корреляции между структурой и проводящими свойствами покрытий.
• Применению численного моделирования (методы конечных элементов, расчет электронных структур с помощью DFT), что обеспечит точное предсказание свойств многослойных электродов и оптимизацию параметров полимерных покрытий.
• Наличию научного задела и индустриальной поддержки: проект основан на рекомендациях Комитета по инновациям АО «ТВЭЛ» и поддерживается ООО «РЭНЕРА», что подтверждает его научную и прикладную значимость.
Таким образом, проект сочетает фундаментальные исследования, математическое моделирование и прикладные разработки, обеспечивая значимый вклад в развитие безопасных и надежных литий-ионных аккумуляторов.

4.3.7.5. Современное состояние исследований по данной проблеме.
Современные исследования в области литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) сосредоточены на улучшении их безопасности, стабильности и энергоэффективности [DOI:10.1016/j.est.2024.113439, DOI:10.1002/adma.202401482, DOI:s41467-024-52766-9]. Использование ЛИА стремительно растет в различных секторах — от портативной электроники до электромобилей и систем хранения возобновляемой энергии. Ожидается, что к 2030 году объем рынка составит 4,7 ТВт·ч с общей стоимостью более 400 миллиардов долларов [DOI:s41467-024-52766-9]. Однако, наряду с ростом энергетической плотности, увеличиваются и возгорания и взрывов при использовании ЛИА [DOI:10.1070/RCR5030], что делает поиск эффективных решений по обеспечению безопасности работы аккумуляторов актуальной задачей [DOI:10.1149/1945-7111/aba8b9]. Коммерческие ЛИА оснащены внешними системами безопасности, такими как предохранительные клапаны и термоизоляционные материалы, но их эффективность ограничена при быстром развитии термических аварийных ситуаций [DOI:s41467-024-52766-9]. Химические элементы защиты являются надёжными, чем электронные системы. Наиболее распространены среди них функциональные добавки в электролит, в том числе добавки, замедляющие образование литиевых дендритов, редокс шаттл добавки для предотвращения перезаряда через электрохимическое шунтирование, необратимые прерыватели перезаряда, действие которых направлено на формирование сигнала для внешнего устройства [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229548]. Химические защитные механизмы срабатывают после начала необратимого процесса выхода аккумулятора из строя и способны лишь уменьшить последствия аварии. Кроме того, изменение состава электролита, катода или сепаратора влияет на все параметры всего аккумулятора, и, кроме защитных свойств, необходимо обеспечить отсутсвие побочных эффектов каждой новой добавки. Поэтому активно ведутся поиски химических защитных систем, не требующих изменения состава электролита, и имеющих возможность обратимого срабатывания. Внутренняя защита ЛИА с помощью компонентов с переменным сопротивлением, срабатывающих от температуры или напряжения является одним из самых универсальных решений проблемы безопасности ЛИА, поскольку позволяет прервать на начальном этапе все нежелательные процессы, связанные с повышением температуры или напряжения. Расположение защитного слоя на токосъемнике под активной катодной массой позволяет минимизировать его влияние на параметры аккумулятора в целом [DOI:10.1070/RCR5030]. Одним из перспективных решений в данном случае является использование проводящих полимеров, таких как политиофен (PTh), обладающих положительным температурным коэффициентом (PTC), что позволяет изменять проводимость такого слоя при изменении температуры [DOI:s41467-024-52766-9]. Ключевые преимущества полимерных покрытий включают прерывание тока в случае короткого замыкания за счет перехода из проводящего в изолирующее состояние, защиту электродов от термической деградации, а также возможного возгорания и взрыва [DOI:s41467-024-52766-9]. Например, исследования показывают, что модификация PTh боковыми группами, такими как триэтиленгликоль, позволяет добиться оптимального баланса между электропроводностью и термочувствительностью, обеспечивая отключение аккумулятора при 100 °C [DOI:s41467-024-52766-9].
Однако материалы, обладающие положительным температурным коэффициентом не является оптимальными для использования в качестве химической защиты ЛИА, так как срабатывают только при достижении температуры, свыше 100 °C. Это ограничивает их эффективность на ранних стадиях развития внештатных ситуаций. Поэтому, разработка материала, в котором проводимость изменяется не только при повышении температуры, но и при перезаряде и переразряде аккумулятора является актуальной научной и практической задачей. Такой подход позволяет предотвратить опасные режимы работы на ранних этапах, еще до достижения критических температур, за счет динамического регулирования электропроводности в зависимости от приложенного напряжения.
Материал poly[Ni(CH3OSalen)], обладающий изменяемой электропроводностью, который при напряжении выше 4.2 В увеличивает сопротивление более чем в 20 раз и прерывает цепь при превышении 5 В, предотвращая разложение электролита и выделение газов [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229548, DOI:10.3390/batteries8100171].
Исследования в области математического моделирования показывают, что включение таких полимерных слоев в архитектуру электродов может значительно улучшить предсказуемость поведения аккумулятора при экстремальных режимах работы. Моделирование переноса заряда и распределения температуры в многослойных структурах позволяет оценить влияние межфазных границ, таких как алюминий/графит и графит/полимер, на эксплуатационные характеристики батарей [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229548]. В частности, было показано, что введение адаптивных полимерных покрытий приводит к значительному снижению рисков теплового разгона и увеличению стабильности ячеек в процессе многократных циклов заряда-разряда [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229548, DOI: 10.1021/acsaem.3c02145].
Современные исследования также рассматривают различные методы нанесения полимерных покрытий. Одним из наиболее перспективных является электрохимическое осаждение, позволяющее формировать слои с высокой степенью однородности и контролируемыми параметрами [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229548, DOI: 10.1021/acsaem.3c02145]. Альтернативные методы, такие как осаждение из суспензии, требуют дополнительной оптимизации для улучшения адгезии и стабильности слоев при эксплуатации аккумулятора и в настоящее время недостаточно исследованы.
Таким образом, современное состояние исследований подтверждает необходимость дальнейшего изучения закономерностей формирования полимерных слоев с регулируемой электропроводностью и их влияния на характеристики ЛИА. Использование математического моделирования, экспериментальных исследований и инновационных методов нанесения покрытий позволит создать новые эффективные решения для повышения безопасности аккумуляторов следующего поколения.

4.3.7.6. Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта.
Год 1: Определение влияния методики нанесения полимерного слоя на электропроводность и параметры аккумулятора с многослойными электродами
• Подбор и синтез полимера:
Химический синтез с варьированием состава для обеспечения оптимальных электропроводящих свойств.
Электрохимический синтез в виде порошка, с возможностью последующего нанесения в виде суспензии.
Электрохимическое осаждение непосредственно на поверхность токосъемника для формирования равномерного защитного слоя.
• Подбор методики нанесения полимерного слоя с учетом его адгезии, электропроводности и технологической совместимости с промышленными процессами
• Определение необходимости нанесения промежуточных слоев и их параметров.
• Создание массива экспериментальных данных для исследования влияния межфазных границ и технологии нанесения полимерной плёнки на электропроводность многослойных электродов. А именно измерение вольтамперограмм для случаев, когда полимерная плёнка наносится на графитовый промежуточный слой, на алюминий, покрытый оксидной плёнкой, на медь без оксидного диэлектрического слоя, и когда алюминий осаждается на полимер в вакууме без образования оксидной плёнки.
• Разработка численной модели, в которой учитывается перенос заряда через все интерфейсы конкретного опытного образца, и интерпретация на её основе экспериментальных данных по испытанию различных образцов. Оценка влияния контактного сопротивления стягивания линий тока в случае прижатия полимера к металлическому электроду. Анализ влияния межфазных границ (алюминий/графит, графит/полимер) на распределение потенциала и плотность заряда. Численное моделирование влияния оксидной пленки на алюминии на характеристики переноса заряда.
• Разработка на основе совместного экспериментального исследования и численного моделирования оптимальной технологии нанесения полимерной плёнки, которая совместит приемлемые характеристики по переносу заряда и возможность промышленного применения.
•
Год 2: Определение влияния технологических параметров формирования защитного слоя (его толщины, размера помола полимерных частиц, несплошности покрытия) на эксплуатационные характеристики аккумулятора
• Численное моделирование влияния толщины защитного слоя на его сопротивление в номинальном режиме и защитные свойства в аварийном случае.
• Исследование влияния размера полимерных частиц на токопрохождение через слой в различных случаях с целью определения требований к технологии формирования защитного полимерного слоя.
• Математическое моделирование влияния несплошности полимерного покрытия (процента площади металла, непокрытого защитным полимером) с целью определения технологического допуска при изготовлении электродов.
• Оптимизация структуры и состава покрытия с учетом моделирования, выбор параметров для последующего прототипирования.
• Создание покрытий с оптимальным составом и структурой, измерение их свойств, в том числе оценка несплошности покрытия после нанесения электродного материала.
Год 3: Оптимизация архитектуры электрода и создание прототипа защищенного литий-ионного аккумулятора
• Разработка тепловой модели аккумулятора для оценки влияния покрытия на распределение температуры и предотвращение перегрева.
• Оптимизация геометрии электрода и характеристик защитного слоя на основе математического моделирования, в том числе с учётом энергоэффективности аккумулятора и риска перегрева.
• Создание прототипа защищенного литий-ионного аккумулятора и моделирование его работы в различных эксплуатационных режимах.
• Определение влияния проводящих и связующих добавок, а также метода нанесения на защитные свойства полимерных слоев.
• Валидация полученных результатов, подготовка рекомендаций по масштабированию и промышленному внедрению разработанной технологии.
Этот план основан на совместном применении экспериментальных и численных методов исследования и направлен на оптимизацию структуры защитных полимерных слоев, что снимет барьер к началу производства более безопасных литий-ионных аккумуляторов.

4.3.7.7. Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту (в данном пункте заполняется текстовое описание задела, а размещение прочей подтверждающей информации описано в п. 4.3.20).
Коллектив исполнителей обладает значительным научным заделом в области математического моделирования, электрохимии, физико-химии полимерных покрытий и разработки архитектуры электродов литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).
1. Опыт в математическом моделировании процессов переноса заряда и теплового баланса
• Разработаны численные модели переноса заряда в многослойных структурах, включая анализ распределения потенциала и плотности тока.
• Проведены исследования влияния межфазных границ (алюминий/графит, графит/полимер) на характеристики заряда и разряда электродов.
• Разработаны модели теплового баланса аккумуляторов, позволяющие прогнозировать распределение температуры и минимизировать локальные перегревы.
2. Опыт в изучении и моделировании формирования полимерных покрытий
• Исследованы методы нанесения полимерных слоев (электрохимическое осаждение и осаждение из суспензии), определены их влияние на структуру покрытия и электропроводность.
• Проведены численные расчеты процессов осаждения полимерных слоев и их влияния на морфологию покрытия.
• Разработаны модели адгезии полимеров к токопроводящим подложкам, учитывающие поверхностные взаимодействия и влияние оксидных пленок.
3. Поддержка проекта индустриальным партнером
• В рамках Акселератора 2.0, организованного АО «ТВЭЛ», проект поддержан ООО «РЭНЕРА», что подтверждает его научную и промышленную значимость.
• На основании протокола заседания Комитета по инновациям АО «ТВЭЛ» (№ 4-07.7/934 Пр от 16.12.2024), рекомендовано проведение опытно-промышленного тестирования и рассмотрение вопроса о финансировании изготовления опытной партии образцов.
4. Опубликованные результаты и участие в научных мероприятиях
• Исполнители проекта имеют публикации в рецензируемых журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science, по тематикам математического моделирования электрохимических процессов и физических основ работы ЛИА.
• Коллектив принимал участие в международных конференциях по электрохимии, материаловедению и моделированию энергетических систем, представляя результаты исследований.
• Опыт работы в междисциплинарных проектах на стыке химических наук, прикладной математики и материаловедения, что обеспечивает высокий уровень компетенций команды.
На основании имеющегося научного задела, математических моделей и экспериментальных данных, коллектив обладает всеми необходимыми ресурсами для успешной реализации проекта, разработки новых фундаментальных подходов к управлению электропроводностью полимерных покрытий и создания прототипа защищенного литий-ионного аккумулятора.

4.3.7.8. Детальный план работы на первый год выполнения проекта.
Цель первого года: Определить на основе совместного применения экспериментальных и численных методов исследования влияние технологии нанесения полимерного слоя на электропроводность и параметры аккумулятора с многослойными электродами Этап 1: Получение экспериментальных данных для развития математической модели влияния различных типов многослойных структур на характеристики аккумулятора (Месяцы 1–4)
• Анализ существующих методов нанесения полимерных слоев (электрохимическое осаждение, осаждение из суспензии).
• Создание двух вариантов многослойных электродов со структурами: “полимер - оксид алюминия - алюминий” (технологически более простая для формирования система) и “полимер покрытие - графит - оксид алюминия - алюминий” (технологически более сложная для формирования система); проведение экспериментального исследования токопрохождения в двух таких системах и сравнение итоговых характеристик.
• Создание электродов с промежуточными типами многослойной структуры: “полимер - медь” (без оксидной плёнки, но с такой же площадью электрического контакта) и “полимер - алюминий, осаждённый под вакуумом” (без оксидной плёнки, но с увеличенной площадью электрического контакта). Проведение экспериментального исследования токопрохождения в двух таких системах и получение опорных экспериментальных данных для развития математической модели влияния различных типов интерфейсов на параметры аккумулятора.
Этап 2: Создание математических моделей для описания переноса заряда через различные межфазные границы (Месяцы 5–8)
• Разработка численной модели переноса заряда в многослойных структурах при наличии и отсутствии тонкого диэлектрического слоя. Определение граничных условий для расчета распределения потенциала и плотности тока.
• Развитие модели для учёта площади электрического контакта (контактного сопротивления) при различных способах формирования многослойных электродов, которые будут реализованы на Этапе 1.
• Численный анализ влияния толщины и состава покрытия на электропроводность и импедансную характеристику.
• Моделирование работы полимерного покрытия в номинальном и аварийном режимах.
Оптимизация параметров покрытия с целью снижения сложности технологического процесса при сохранении необходимых характеристик аккумулятора.Этап 3: Валидация моделей и оптимизация технологии нанесения полимера (Месяцы 9–12)
• Сравнение расчетных данных с результатами первых экспериментальных тестов и корректировка моделей.
• Формирование на основе подготовленной на Этапе 2 математической модели и проведенных экспериментов рекомендаций для оптимизации технологии нанесения защитных слоев и определение влияния полной структуры многослойного электрода на характеристики аккумулятора.
• Подготовка отчетности по первому году проекта.
Основные результаты первого года:
1. Получены опорные экспериментальные данные по влиянию различных типов интерфейсов на характеристики аккумулятора.
2. Разработана численная модель переноса заряда в многослойных структурах.
3. Проведен анализ влияния толщины покрытия на его электропроводность.
4. Сделана первичная оптимизация технологии нанесения полимера.

4.3.7.9. Ожидаемые научные и (или) научно-технические результаты (без перечисления указанных в пп. 4.3.11, 4.3.13, 4.3.14) и их научная новизна и значимость (например, оценка соответствия запланированных результатов мировому уровню исследований, возможность практического использования запланированных результатов)
Ожидаемые результаты:
1. Определены закономерности формирования полимерных слоев с регулируемой электропроводностью при различных методах нанесения, влияющие на эксплуатационные характеристики литий-ионного аккумулятора в номинальном и аварийном режимах.
2. Сформирована математическая модель переноса заряда в многослойных электродах с адаптивными полимерными покрытиями, учитывающая влияние межфазных границ.
3. Разработаны численные методы оценки теплового баланса аккумулятора, учитывающие особенности многослойной структуры электрода и адаптивных полимерных покрытий.
4. Создан прототип защищенного литий-ионного аккумулятора с оптимизированной архитектурой электрода, разработанной на основе математического моделирования.
Научная новизна и значимость:
• Фундаментальная значимость: Впервые будут определены закономерности влияния структуры и метода нанесения полимерных покрытий на их электропроводящие свойства, что позволит управлять процессами переноса заряда в литий-ионных аккумуляторах.
• Междисциплинарный подход: Разработка включает математическое моделирование, химические и физические принципы формирования покрытий и анализ их влияния на работу аккумулятора.
• Соответствие мировому уровню: Исследование отвечает современным тенденциям повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов путем использования адаптивных защитных покрытий и численного моделирования сложных электрохимических процессов.
• Практическая применимость: Разработанные математические модели могут быть использованы для проектирования новых типов аккумуляторов с улучшенной безопасностью, прогнозирования их характеристик и оптимизации технологии нанесения защитных покрытий.
• Промышленная востребованность: Проект поддержан индустриальным партнером ООО «РЭНЕРА» и соответствует актуальным задачам разработки надежных систем хранения энергии для транспорта и стационарных применений.

4.3.7.10 Планируемые объем дополнительно привлечённых средств
Российский научный фонд 7000000 2026
ООО “ТВЭЛ” 4500000 2026