Проведено изучение составов электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов на основе на основе синтезированных и коммерчески доступных образцов дисульфида молибдена с использованием стандартного связующего поливинилиденфторида (PVDF) и с использованием проводящего связующего с включением проводящего полимера поли-3,4-этилендиокистиофена в виде дисперсии с полистиролсульфонатом (PEDOT:PSS) и карбоксиметилцеллюлозой (CMC) при различных соотношениях активного вещества, углеродных компонентов и связующего.
Проведено сравнение свойств электродных материалов с различными составами, в том числе со стандартным связующим PVDF. Исследованы функциональные характеристики (емкость и ее зависимость от плотности тока, циклический ресурс) материалов на основе MoS2 в зависимости от толщины слоя (массовой загрузки) нанесённого электродного материала. Показано, что для достижения наибольшей ёмкости, 1055 мА·ч/г, оптимальной является толщина электродного слоя 150 мкм. Показано, что вне зависимости от условий синтеза, состава электрода и его толщины (массовой загрузки) ёмкость анодных материалов падает до величины примерно 210–230 мА·ч/г на 100-м цикле заряда-разряда.
Postmortem исследования электродных материалов показывают характер химической конверсии исходного материала MoS2 с формированием наноструктурированных компонентов основной редокс-системы Li2S/S как катодного материала литий-серного аккумулятора. Дальнейшая стабилизация работы материала связана с поиском параметров гидротермального синтеза MoS2 или его композитов с целью препятствования формированию мобильных полисульфидных шаттлов и способствования их каталитическому распаду и/или задержке растворения механическим или адсорбционным механизмами, что составляет основную проблему стабильной работы литий-серной системы.
Расширены подходы по гидротермальному синтезу дисульфида в зависимости от различных условий синтеза, в т. ч. температуры синтеза, выбора серосодержащего прекурсора, выбора поверхностно-активного вещества (ПАВ). Созданы композиты на основе дисульфида молибдена, PEDOT:PSS и восстановленного оксида графита. Проведены исследования структурно-морфологических свойств порошков дисульфида молибдена методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
Методами циклической вольтамперометрии, гальваностатического заряда-разряда и спектроскопии электрохимического импеданса изучены электрохимические свойства анодных материалов на основе синтезированных образцов дисульфида молибдена. Были оценены исходная ёмкость электродных материалов и их стабильность при многократной перезарядке, сравнён электрохимический отклик различных электродных материалов. Значения ёмкости достигали свыше 800 мА ч/г, сохранение ёмкости за 100 циклов не превышало 25%, что позволило сделать вывод о критическом влиянии конверсионных процессов на структуру и стабильность материала. Однако установлено, что для ряда материалов при многократной перезарядке по мере роста числа циклов начинается «регенерация» материала с ростом его ёмкости.
Полученные образцы электродных материалов на основе дисульфида молибдена исследованы в составе альтернативных электрохимических источников тока — литий-серных аккумуляторов. С этой целью был использован стандартный для данной области применения электролит на основе 1,3-диоксолана и 1,2-диметоксиэтана. Поведение электродных материалов было исследовано в различных диапазонах потенциала с выбором допустимой плотности тока, установлено влияние выбора окна потенциалов на ёмкость и стабильность материалов. Определены функциональные характеристики материалов, в т. ч. удельная ёмкость и стабильность. В составе литий-серных аккумуляторов наилучшее из достигнутых сочетаний ёмкость/стабильность составило 814 мА ч/г с сохранением 69% за 100 циклов.
Разработаны способы электрохимического синтеза композитных материалов на основе дисульфида молибдена и проводящего полимера PEDOT на углеродных подложках. Изучены электрохимические свойства полученных композитов в зависимости от состава водного электролита, которые показали функциональные характеристики по емкости и стабильности, превосходящие многие аналогичные образцы на основе дисульфида молибдена. Создан прототип гибридного суперконденсатора на основе наилучшего из образцов, предоставляющий ёмкости до 870 мФ/см2.
Планы исследований за два года проекта в основном выполнены, созданы условия для дальнейшего изучения тематики конверсионных материалов. По результатам работы в 2022 г. опубликована одна статья в журнале Synthetic Metals (IF 3.266, Q1) и одна статья подготовлена к публикации. Подготовлена и успешно защищена (июнь 2022 г.) в СПбГУ выпускная квалификационная работа аспиранта на тему «Исследование электродных процессов в композитных материалах на основе дисульфида молибдена» Направление 04.06.01 «Химические науки»