Получение гибридных органических электродов для литий-ионных акккумуляторов

Проекты технологического лидерства

Актуальность
Быстрый рост рынка электромобилей, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и систем накопления энергии для возобновляемых источников энергии (ВИЭ) повышает спрос на лёгкие, формуемые и ресурсоустойчивые накопители. Органические и металлоорганические каркасные материалы (COF/MOF) позволяют создавать высокоёмкие, экологичные и недорогие электроды, совместимые с технологиями аддитивного производства (inkjet, DIW‑экструзия, spray/dip, 3D‑печать). Их регулируемая кристалличность и пористость открывают возможность технологического распределения активной массы, проводящих доменов и ионных каналов по сечению слоя, что важно для быстрого прототипирования и интеграции в устройства сложной формы. Проект соответствует приоритетам импортонезависимого развития химических источников тока и задачам цифровизации производства.
Проблема
Традиционные неорганические электроды ограничены по удельной ёмкости, мощности и стабильности работы. Для органических систем остаются вызовы: низкая электронная проводимость, растворимость активной массы, недостаточная насыпная плотность, деградация при циклировании и масштабирование печатных технологий. Недостаточна проработанность рецептур печатных чернил/паст под разные процессы (inkjet/DIW/spray/dip), а также отсутствуют отлаженные подходы к формированию градиентных структур и гибридных органо‑неорганических гетероструктур, что сдерживает переход к прототипам и технологической готовности ≥4.
Цель
Создать гибридные органические (COF/MOF) электроды для литий‑ионных аккумуляторов (ЛИА) и суперконденсаторов (СК), совместимые с аддитивными технологиями, и продемонстрировать лабораторные прототипы уровня TRL‑4.
Задачи
1. Моделирование и отбор кандидатов: DFT/ML‑скрининг мономеров/лигандов (потенциалы вставки Li⁺, устойчивость связей, растворимость, пористость); ранжирование (Bayesian/BO). 2. Синтез и характеризация: солвотермальные/межфазные/механохимические маршруты; модификации (пирролиз, N/S/P‑допирование, металлирование); XRD, FTIR, TGA, BET, распределение частиц <500 нм. 3. Чернила/пасты: разработка рецептур под inkjet (низкая вязкость), DIW (тиксотропные гели), spray/dip (стабильные аэрозоли/суспензии); управление реологией и смачиваемостью. 4. Аддитивное формование: печать тонких и толстых слоёв, 3D‑решёток и градиентных архитектур; интеграция с подложками (Al, Cu, графит, ОГ/ВОГ). 5. Гибридизация: создание органо‑неорганических гетероструктур (COF/MOF + графен/допированные углероды/оксиды) для повышения механической и электрохимической стабильности. 6. Тестирование: сборка ячеек и оценка CV, EIS, гальваностатических режимов; анализ деградации, dQ/dV и in‑situ обработка данных ML‑моделями. 7. Оптимизация и масштабирование: подбор связок/коллекторов, параметров печати; проработка маршрутной карты к TRL‑5…7, подготовка статей, патентов и пилотных партий.
Результат
Через 12 месяцев (ближайший учебный год): - Набор валидированных COF/MOF‑рецептур и печатных чернил/паст под inkjet/DIW/spray/dip. - Печатные электроды и гибридные органо‑неорганические образцы с достижением целевых метрик на уровне лабораторных макетов (TRL‑4 с целевыми метриками: удельная ёмкость >300 мА·ч/г (ЛИА) и >200 Ф/г (СК), стабильность ≥1000 циклов (ЛИА) и ≥100 000 циклов (СК), удельная мощность >5 кВт/кг) и демонстрацией градиентных структур. - Отчёт о деградации и реологических окон, методики перенастройки печати по данным CV/EIS. К завершению проекта (при продлении проекта): - Библиотека материалов и технологических карт печати; прототипы ЛИА/СК с подтверждёнными характеристиками; пилотные партии для индустриальных испытаний; дорожная карта к TRL‑5…7 и пакет документов для внедрения у индустриальных партнёров.
Партнёры проекта
https://ineos.ac.ru
***