В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Ердаулетова Меира Сапаргалиевича на тему «Исследование влияния микроструктуры положительных электродов химических источников тока на их функциональные характеристики» по образовательной программе «8D05305 – Ядерная физика».
Диссертация выполнена на кафедре «Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Асқарұлы Қыдыр – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор Института энергетики и машиностроения им А. Буркитбаева Казахского национального исследовательского технического университета имени К.И. Сатпаева, (г. Алматы, Республика Казахстан);
Белгибаева Аяулым Дидарбекқызы – доктор философии (PhD), ведущий научный сотрудник, и.о заведующего лабораторией систем накопления энергии «National laboratory Astana» Назарбаев университета, (г. Астана, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Копишев Эльдар Ертаевич – кандидат химических наук, заведующий кафедрой химии Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева, (г. Астана, Республика Казахстан);
Мальчик Федор Игоревич – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор, заведующий лабораторией технологий электрохимических производств Казахского национального университета имени Аль-Фараби, (г. Алматы, Республика Казахстан);
Ахмадов Гадир Саттар оглы – доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник департамента ядерных исследований, агентство инновации и цифрового развития, (г. Баку, Азербайджан).
Научные консультанты:
Джансейтов Данияр Маралович – доктор философии (PhD), Ведущий научный сотрудник РГП на ПХВ "Институт ядерной физики" (специальность «6D060500 – Ядерная физика»), (г. Алматы, Республика Казахстан);
Авдеев Михаил Васильевич – доктор физико-математических наук, профессор, начальник сектора Лаборатории Нейтронной Физики им. И.М. Франка Объединенного Института Ядерных Исследований (г. Дубна, Российская Федерация).
Защита состоится: 24 января 2025 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по образовательной программе «8D05305 – Ядерная физика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в смешанном (онлайн и офлайн) формате.
Ссылка: https://clck.ru/3FAWUu
Адрес: г. Астана, ул. Сатпаева 2, аудитория 302
Аннотация (рус.): диссертационная работа Ердаулетова Меира Сапаргалиевича «Исследование влияния микроструктуры положительных электродов химических источников тока на их функциональные характеристики», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе: 8D05305 – «Ядерная физика» В данной диссертационной работе представлены результаты исследований, выполненных с целью на проведение систематических исследований качественных и количественных закономерностей между микроструктурой электродных покрытий и их удельными характеристиками. Информация о микроструктуре покрытий получена с помощью малоуглового рассеяния тепловых нейтронов, которое, благодаря высокой проникающей способности данного излучения, позволяет изучать промышленные системы в рамках неразрушающего контроля. Принципиально новые научно-технические решения по формированию эффективных электродов основаны на применении наноструктурированных проводящих добавок на основе производных графена и модифицированных углеродных нанотрубок, а также на применении полимерных связующих с различной структурой. Результаты были получены на установке мало углового рассеивания нейтронов на исследовательском реакторе ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ. Проведена оценка влияния наноструктурированных углеродных добавок на функциональные характеристики химических источников тока. Также в работе представлены результаты разработки прототипа литий-ионного аккумулятора с повышенными удельными характеристиками . Научная проблема. Ограниченный запас ископаемых источников энергии, а также повсеместное ухудшение экологической обстановки, приводит к необходимости увеличения доли потребления возобновляемой энергии и к неизбежному использованию электрических приводов для транспортных средств. Широкое использование возобновляемых источников энергии и электрических транспортных средств ограничивает отсутствие высокоёмких и энергоэффективных накопителей энергии, среди которых перезаряжаемые химические источники тока (ХИТ) занимают важное место. В области «зелёной» энергетики ХИТ необходимы для выравнивания нагрузки в электрических сетях, регулирования частоты и обеспечения потребителей возобновляемой энергией в моменты провалов генерации энергии, возникающей при использовании ветряных, солнечных или волновых электростанций. В связи с этим актуальной задачей является совершенствование существующих подходов, а также поиск и развитие новых энергоёмких и эффективных перезаряжаемых ХИТ. Повышение удельных показателей литий-ионных аккумуляторов, с одной стороны, связывают с разработкой новых электродных материалов, обеспечивающих более высокую обратимую удельную емкость, а также большую разность потенциалов и работающих при более высоких токах разряда/заряда. С другой стороны, существенный выигрыш в удельных показателях может достигаться за счет оптимизации внутренней архитектуры аккумулятора, которая, прежде всего, определяется микроструктурой наносимых электродных покрытий. Кроме того, важнейшей составляющей аккумулятора является сепаратор, который оказывает влияние на внутреннее сопротивление накопителя и, как следствие, на кинетику переноса ионов лития в процессе заряда-разряда. Актуальность работы и состояние научной проблемы. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы являются наиболее часто используемыми химическими источниками тока. При рассмотрении эволюции современных электронных устройств отчетливо наблюдается тенденция к их миниатюризации и повышению функциональности. Это приводит к существенному повышению энергопотребления, что, в свою очередь, требует создания более эффективных и компактных источников (накопителей) энергии. Удельная энергия литий-ионных аккумуляторов определяется удельными характеристиками электродных материалов, и прежде всего, характеристиками катодного материала, т.к. на его долю приходится, примерно, 40% массы всех активных компонентов. Кроме того, аккумулятор содержит неактивные компоненты, такие как токосъемники, сепараторы, упаковка и т.д., которые необходимы для функционирования аккумулятора. Поэтому проблема увеличения энерго-эффективности современных накопителей энергии при ограничениях, накладываемых на форм-фактор аккумулятора, с одной стороны связана с проблемой получения и исследования новых активных электродных материалов. С другой стороны важным является влияние микроструктуры положительных электродов а так же проводящих добавок, и тем самым, способствовать повышению удельной энергии аккумулятора. Цель данной диссертационной работы – Главной целью работы является выработка общих практических критериев к оптимизации микроструктуры электродов на основе широкого спектра активных материалов, наноструктурированных углеродных добавок и модифицированных полимерных связующих, позволяющих добиться существенного выигрыша в удельной энергии и мощности литий-ионных аккумуляторов. Разработанные в ходе выполнения проекта научно-технологические решения по формированию электродных покрытий с заданной микроструктурой могут лечь в основу по прототипированию и созданию электрохимических накопителей энергии с повышенными удельными характеристиками. Задачи исследования. 1. Исследование влияния соотношения между активным материалом и проводящей добавкой на характеристики электрода; 2. Исследование влияния микроструктуры положительных электродов методом малоуглового рассеивания нейтронов; 3. Выработка практических критериев к оптимизации микроструктуры электродов активных материалов; 4. Создадение прототипа на основе всех данных. Объект исследования. В качестве объектов для исследования были выбраны электроды LFP, NCA, NMC, V2O5, LTO Предмет исследования. Предметом исследования является микроструктурные особенности внутри электродных материалов в химических источников тока, а также исследование методом малоуглового рассеивания нейтронов для их исследований и анализа Методы исследования. Изучены технологические аспекты изготовления электродов на основе LFP, LTO, NMC, NCA и композиционных материалов с высокой емкостью с использованием углеродные нанотрубки в качестве проводящих добавок. В результате работы изучена связь между микроструктурой электродов (в частности, пористостью, извилистостью пор, типом и содержанием электропроводной добавки) и их удельными характеристиками с помощью малоуглового рассеивания нейтронов. Основные положения, выносимые на защиту: 1) Показано наличие оптимального содержания углеродных нанотрубок в электродах в отношении емкости. Электроды с 1% УНТ демонстрируют более высокую удельную емкость по сравнению с электродами, содержащих 5-15% сажи. Вместе с тем, увеличение содержания УНТ до 10% значительно снижает объемную емкость электрода, которая становится ниже, чем у электродов с сажей. 2) На основе измерений малоуглового рассеяния нейтронов показано, что сетка УНТ, встроенная в электродный слой обеспечивает его большую смачиваемость электролитом по сравнению с сажей, используемой в качестве стандартной проводящая добавки. Это приводит к лучшей производительности электрода. 3) Определено влияние УНТ на реологические свойства электродной суспензии при изготовлении электродов. При изготовлении толстых (толщина свыше 100 мкм) электродных покрытий увеличение массового содержания УНТ свыше 5% значительно усложняет процесс их диспергирования в растворителе; изготовление соответствующих однородных слоев становится проблематичным. 4) Получены электроды из биоотходов как перспективный электродный материал в химических источниках тока. 5) Практическая применимость рассматриваемой электродной технологии была подтверждена на прототипе ячейки с полученной удельной энергетической плотностью 150 Вт кг-1 , 140 Фарад/г. Научная новизна. Работа была направлена на проведение систематических исследований качественных и количественных закономерностей между микроструктурой электродных покрытий и их удельными характеристиками. Информация о микроструктуре получена с помощью малоуглового рассеяния тепловых нейтронов, которое, благодаря высокой проникающей способности данного излучения, позволяет изучать промышленные системы в рамках неразрушающего контроля. Принципиально новые научно-технические решения по формированию эффективных электродов будут основаны на применении наноструктурированных проводящих добавок на основе производных графена и модифицированных углеродных нанотрубок, а также на применении полимерных связующих с различной структурой. Исследованы свойства применение перспективных материалов для литий ионных аккумуляторов в частности из биоотходов таких как рисовая шелуха. Научная и практическая ценность работы. Полученные в работе результаты научно-технологические решения по формированию электродных покрытий с заданной микроструктурой могут лечь в основу по прототипированию и созданию электрохимических накопителей энергии с повышенными удельными характеристиками. Данная работа направлена на проведение систематических исследований качественных и количественных закономерностей между микроструктурой электродных покрытий и их удельными характеристиками. Информация о микроструктуре покрытий получена с помощью малоуглового рассеяния тепловых нейтронов, которое, благодаря высокой проникающей способности данного излучения, позволяет изучать промышленные системы в рамках неразрушающего контроля. Принципиально новые научно-технические решения по формированию эффективных электродов основаны на применении наноструктурированных проводящих добавок на основе производных графена и модифицированных углеродных нанотрубок, а также на применении полимерных связующих с различной структурой. Исследование структурных особенностей электродных покрытий и определение их влияния на электрохимические характеристики. В работе рассмотрены широкий круг активных материалов и проведено структурное исследование покрытий, содержащих разные наноструктурированные проводящие добавки: стандартные сажи, производные графена, модифицированные углеродные нанотрубки; также будут варьироваться катодные/анодные материала в частности из биоотходов. В свою очередь, сравнение с электрохимическими измерениями позволило установить четкую связь между варьированием структуры электродных покрытий и их удельными характеристиками по накоплению энергии при различных мощностях зарядки/разрядки, устойчивостью к циклированию. Важно отметить, что результаты работы сформируют серьезный научно-технический задел для проведения дальнейших передовых исследований в области разработки накопителей энергии нового поколения. Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором совместно с сотрудниками ОИЯИ (Дубна, Российская Федерация), Государственный университет Дубна (Дубна, Российская Федерация), отражены в совместных публикациях. Автор принимал непосредственное личное участие в постановке и проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных и интерпретации результатов экспериментов в качестве полноправного члена научной группы. Автор внес огромный вклад в эксперименте на установке малоуглового рассеивания нейтронов исследовал особенности микроструктуры электродных покрытий имеют четкую связь с их электрохимическими характеристиками на реакторе ИБР-2 ЛНФ (ОИЯИ, Россия). На данной установке автором были исследованы различные образцы электродов с различным содержанием углеродных добавок на примере углеродных нанторубок (УНТ) и сажи. На основе экспериментальных данных малоуглового рассеяния нейтронов показано, что сетка УНТ, встроенный в электродный слой обеспечивает его большую смачиваемость электролитом по сравнению с сажей, используемой в качестве стандартной проводящая добавки. Это приводит к лучшей производительности электрода. Достоверность результатов работы Правильность проведенных экспериментальных исследований и достоверность полученных результатов в диссертационной работе обосновываются использованием хорошо известных и освоенных методов. Полученные экспериментальные результаты хорошо анализировались и согласуются с работами других исследователей в этой области. Основные результаты диссертации опубликованы в рецензируемых международных научных журналах и представлены в материалах ведущих международных конференций по нейтронной физике. Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись и докладывались на следующих республиканских и международных конференциях: 1) The International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2020), (April 15-19, 2020 JINR, OMUS, Dubna, Russia, JINR, Dubna, Russia) 2) International Conference «Condensed Matter Research» at the IBR-2 12.10.20, International Conference Hall, Dubna; 3) TURK-COSE 2020: 2. International Turkic World Congress on Science and Engineering 4) III International Scientific Forum “Nuclear Science and Technologies”, RSE "Institute of Nuclear Physics", Ministry of Energy of the Republic of Kazakhstan, Almaty, Kazakhstan, 20 – 24 September 2021 5) I Международной Школы-конференции «Атом. Наука. Технологии», 14-16 апреля, 2021, Институт ядерной физики, Алматы, Казахстан 6) КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РАССЕЯНИЯ НЕЙТРОНОВ В ИССЛЕДОВАНИИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД (РНИКС-2021), Екатеринбург, Россия 27 сентября – 1 октября 2021 7) I Международная Школа-конференция «Атом. Наука. Технологии», РГП ИЯФ МЭ РК, Алматы, Казахстан 14-16 апреля 2021 8) International Conference Condensed Matter Research at the IBR-2 25.04.22 9) JINR Association of Young Scientists and Specialists, Conference "Alushta-2022", AYSS,JINR, Alushta, Russia 10.06.2022 10) 55th meeting of the PAC for Condensed Matter Physics, FLNP, JINR, Dubna, Russia 2022 11) IV International Scientific Forum “Nuclear Science and Technologies”, RSE "Institute of Nuclear Physics", Almaty, Kazakhstan, 26 – 30 September 2022 12) ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ НЕЙТРОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД» 21-22 сентября 2023 13) 56th meeting of the PAC for Condensed Matter Physics, FLNP, JINR, Dubna, Russia 17-18 January 2023 Публикации По материалам диссертационной работы опубликовано 5 работ, из которых 5 статьи опубликованы в издании с ненулевым импакт-фактором, входящим в базу данных Scopus и Web of science. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников из 95 наименований. Общий объем работы составляет 86 страниц, в том числе 6 таблиц и 48 рисунков. Во введении обосновывается актуальность темы исследования, даётся краткий литературный обзор имеющихся данных по теме диссертационной работы. Дана постановка научной проблемы, в рамках которой выполнена данная работа, сформулированы цели работы, новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность. Приведены основные положения, выносимые на защиту, личный вклад автора, апробация и краткое содержание диссертации. В первом разделе посвящена обзору и теоретическим основам разрабатываемых и применяемых электродных материалов в химических источниках тока. Основной акцент сделан на принцип работы аккумуляторов и использование различных катодных материалов, в анализе экспериментальных данных. Кроме этого, дается подробная информация о физических свойствах, кристаллических структурах катодных материалов исследуемых в диссертационной работе. Во втором разделе посвящена детальному описанию экспериментальных методов, на развитие и применение которых направлена настоящая диссертационная работа. Приводится подробное описание микроструктуры образцов и экспериментальных данных по данным катодного материала оксида ванадия и углеродных проводящих добавок. Также представлены экспериментальные исследования влияния различных наноструктурированных углеродных проводящих добавок на электрохимические данные. В третьем разделе посвящена синтезу получения перспективных электродных материалов полученных из биомассы. Приводятся экспериментально-методические наработки для описания микроструктуры и электрохимических данных полученных образцов. Сравнительный анализ с электрохимическими характеристиками других активированных углей, полученных из различных исходных биоматериалов для литий-ионных конденсаторов, также показал, что предлагаемый в данной работе материал обладает превосходными емкостными и циклическими свойствами. В четвёртый раздел посвящена анализу микроструктурных особенностей электродов. Представлены результаты исследования о пористости заполнения пор электролитом, полученные с помощью малоуглового рассеяния нейтронов. Методом малоуглового рассеяния нейтронов оценена эффективность введения углеродных добавок на основе графена в различные типы электродных материалов (LFP, LTO и NMC) для литий-ионных аккумуляторов с жидкими электролитами. Подробно исследованы технологические аспекты изготовления прототипа на основе LFP с высокой емкостью с использованием углеродных нанотрубок в качестве проводящих добавок. В заключении подводятся основные выводы по всем результатам диссертационного исследования.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/o9OsKCb_v-A?si=6AWLTe8vN1-rnIk6
