Проект направлен на решение проблемы неудовлетворительных эксплуатационных характеристик существующих органических катодных материалов для электрохимических энергозапасающих устройств. Основной задачей проекта является разработка новых органических катодных материалов для аккумуляторов и гибридных суперконденсаторов, обладающих высокой электронной проводимостью и окислительно-восстановительной емкостью, а также фундаментальные исследования процессов переноса заряда в этих системах.
Концепция дизайна таких материалов основана на полученных ранее результатах синтеза двух материалов различной природы на основе общих структурных элементов, а именно полимерных комплексов никеля с лигандами саленового типа в качестве проводящей цепи и функциональных групп, содержащих свободные нитроксильные радикалы в качестве фрагментов, обеспечивающих дополнительную редокс ёмкость. Оба типа активных центров способны работать в прототипах аккумуляторных батарей при высоких токах заряда-разряда, [Macromolecular Chemistry and Physics 2017, 218, (24), 10.1002/macp.201700361; Electrochimica Acta 2019, 295, 1075-1084, 10.1016/j.electacta.2018.11.149], а синтезированный нами гибридный материал демонстрирует лучшие характеристики в классе редокс-проводящих полимеров на основе нитроксильных радикалов, функционируя без использования проводящих добавок [Batteries&Supercaps 2020, в печати, 10.1002/batt.202000220; заявка на патент RU2018143206]. На данный момент авторы проекта являются единственной научной группой, освоившей синтез ТЕМПО-саленовых полимеров. В то же время удельная емкость материалов, полученных в ходе предыдущих исследований, еще не достигла теоретического предела, характерного для TEMPO-содержащих полимеров (около 110 мАч/г). Кроме того, фундаментальные аспекты переноса и транспорта заряда в таких структурах до сих пор не изучены, что препятствует рациональному дизайну высокоэффективных материалов на их основе. Поэтому были сформулированы три новых задачи, решение которых позволит существенно улучшить характеристики аккумуляторов с органическими катодами.
Первая задача проекта посвящена фундаментальным аспектам функционирования предлагаемых материалов в качестве катодных материалов. Эта задача включает в себя следующие подзадачи:
1) Исследование переноса заряда внутри звена между Ni-саленовым фрагментом и присоединенными нитроксильными фрагментами.
2) Изучение роли спинового взаимодействия между нитроксильными фрагментами и возможности межцепочечного переноса электрона с участием этих фрагментов.
3) Определение параметров переноса заряда основной цепи Ni-саленовых полимеров.
Вторая задача проекта ориентирована, в основном, на оптимизацию молекулярной структуры предлагаемых материалов для достижения максимальной плотности энергии. Одной из возможностей дальнейшего увеличения удельной емкости таких электродных материалов является снижение молекулярной массы линкера. Другим способом увеличения емкости полимера может стать увеличение количества групп TEMPO на единицу полимера.
Третья задача проекта - увеличить практическую загрузку предлагаемых полимерных материалов на электроде, сохраняя при этом их высокую проводимость и удельную мощность устройства. Для этого будут созданы композиты на основе новых редокс-полимеров с такими углеродными материалами, как углеродные нанотрубки и графен.
