Лаборатория перспективных функциональных материалов для химических источников тока

Заведующая: д.х.н.
Бушкова Ольга Викторовна
Телефон: (343) 362-30-36
E-mail:

Состав лаборатории: 10 сотрудников, в том числе 10 научных сотрудников, 1 доктор наук, 4 кандидата наук.

Информация о деятельности новой лаборатории

Научные направления: 

- Поиск новых электродных материалов для химических источников тока (ХИТ) и исследование их физико-химических свойств и электрохимического поведения.

- Создание научных основ экономически эффективных и экологически чистых методов синтеза новых и известных функциональных материалов.

- Разработка новых пожаро- и взрывобезопасных электролитов (твёрдых, жидких, полимерных) с улучшенными транспортными характеристиками, совместимых с электродными материалами.

- Исследование механизмов деградации ХИТ и поиск путей её преодоления.

Значимые результаты:

- Защищена 1 кандидатская диссертация (Урусова Н.В., март 2021 г.); подготовлена к защите 1 кандидатская диссертация (Нефедова К.В., защита планируется в декабре 2022 г.).

- Опубликовано 33 статьи в российских и международных научных журналах, 1 монография, 1 учебное пособие, получено 3 патента.

- Налажено сотрудничество с отделом функциональных материалов ИПХФ РАН (г. Черноголовка), что подтверждается значительным количеством совместных работ (11 статей, 1 патент, 1 совместный проект РНФ (грант № 18-19-00014, 2018-2021), а также с ИФМ УрО РАН (10 совместных статей). Промышленным партнёром является ГК «ИнЭнерджи» (г. Москва) - ведущим российским разработчиком электрохимических решений для энергетики, с которым был успешно выполнен 1 хоздоговор (завершён в 2019 г.) и имеется постоянное взаимодействие в области создания новых материалов для ХИТ.

Информация о руководителе лаборатории:

Бушкова Ольга Викторовна, доктор химических наук, один из ведущих российских специалистов в области электрохимической энергетики и материаловедения, член редколлегии журнала «Электрохимия», автор 75 статей в российских и международных научных журналах, 5 патентов, 1 монографии, 1 учебного пособия. За многолетний труд О.В. Бушкова награждена почетной грамота Министерства промышленности, энергетики и науки Свердловской области (2007 г.), благодарностью РАН (2012 г.) и медалью Минобрнауки «За вклад в реализацию государственной политики в области научно-технологического развития» (2021 г.).

За последние 5 лет О.В. Бушковой подготовлено (в соавторстве) учебное пособие «Литий-ионные аккумуляторы» (2020 г.) и монография «Литий-ионные аккумуляторы для электротранспорта» (2019), где кратко изложена основная информация о принципе работы ЛИА, используемых материалах и опыте применения ЛИА в электротранспорте, опубликовано два больших обзора «Новые соли лития в электролитах для литий-ионных аккумуляторов» (Электрохимия, 2017) и «Полимерные связующие для электродов литиевых аккумуляторов» (в трёх частях) (Электрохимическая энергетика, 2020-2021 гг.), где обобщено современное состояние технологий и разработок в области жидких электролитов для ЛИА и полимерных связующих для композиционных электродов литиевых электрохимических систем.

Выполнены исследования электрохимического поведения катодных материалов литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) LiCoO2 (LCO), LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NMC-111), полученных по новым технологиям с использованием экологически чистой процедуры синтеза в реакциях горения, с нанесением защитного поверхностного слоя и без него. Изучено влияние сверхстехиометрического лития (1-2%) на электрохимические свойства LiMn2O4 (LMO), полученного путём твердофазного синтеза; исследованы механизмы деградации LMO в контакте с электролитными растворами, содержащими комплексные соли лития LiPF6 и LiBF4.

С использованием методов квантовой химии и колебательной спектроскопии продолжен многолетний цикл исследований ионной сольватации и ассоциации в модельных системах – растворах солей лития в ацетонитриле и в твёрдых полимерных электролитах на основе полимеров близкой химической природы – полинитрилов. Проанализирована взаимосвязь между образованием нейтральных ионных ассоциатов высокого порядка {Li+X−}m и фазовым разделением в аморфных твёрдых полимерных электролитах (выделением кристаллов соли при концентрациях выше предельной) на основе бутадиен-нитрильного каучука марки СКН-40. Установлена корреляция между растворимостью соли в полимерной матрице и размерностью устойчивых конфигураций ионных ассоциатов высокого порядка. Показано, что с термодинамической точки зрения образование ассоциатов высокого порядка можно рассматривать как флуктуации концентрации соли в макромолекулярном ионном растворе, стабилизированные за счёт координации ионов лития с сильнополярными нитрильными группами полимера в боковых заместителях.

Выполнен цикл исследований физико-химических и электрохимических свойств полимерных электролитов в униполярной литий-ионной проводимостью на основе мембран Нафион в форме литиевой соли (Нафион-Li+), пластифицированных высококипящими диполярными апротонными растворителями (этиленкарбонатом (EC), сульфоланом (SL), диглимом (G2)) и их смесями. Получен новый взрывобезопасный полимерный электролит с суперионной проводимостью, уникально широким интервалом рабочих температур (от -30 до +80 оС), высокой электрохимической устойчивостью (до 6 В) и пренебрежимо малым вкладом электронной проводимости. Впервые получена работоспособная полная ячейка на основе системы Li4Ti5O12/LiFePO4 с мембраной Нафион-Li+, пластифицированной пропиленкарбонатом,

Публикации лаборатории за 2019-2022 гг.

Книги

Ю.А. Добровольский, О.В. Бушкова, Е.А. Астафьев, Е.Ю. Евщик, Р.Р. Каюмов, А.В. Корчун, О.В. Дрожжин. Литий-ионные аккумуляторы для электротранспорта: ИПХФ РАН, г. Черноголовка. 110 с. ISBN: 978-5-6040595-8-6.

Литий-ионные аккумуляторы: учеб. пособие /Ю. А. Добровольский, О. В. Бушкова, Е. А. Астафьев, Е. Ю. Евщик, Р. Р. Каюмов, А. В. Корчун, О. А. Дрожжин, А. Е. Антипов. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2020. – 208 с. ISBN 978-5-7237-1851-7.

Обзоры

О.В. Бушкова, T.В. Ярославцева, Ю.А. Добровольский. Новые соли лития в электролитах для литий-ионных аккумуляторов (обзор) / Электрохимия. 2017. Т. 53. № 7. С. 763-787. https://doi.org/10.7868/S0424857017070015. O. V. Bushkova, T. V. Yaroslavtseva, Yu. A. Dobrovolsky. New lithium salts in electrolytes for lithium-ion batteries (Review) / Russ. J. Electrochem. 2017. Vol. 53. No. 7. Pp. 677-699. https://doi.org/10.1134/S1023193517070035

Истомина А.С., Бушкова О.В. Полимерные связующие для электродов литиевых аккумуляторов. Часть 1. Поливинилиденфторид, его производные и другие коммерциализованные материалы // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, № 3.С. 115–131. A.S. Istomina, O.V. Bushkova, Polymer Binders for the Electrodes of Lithium Batteries. Part 1. Polyvinylidene Fluoride, its Derivatives and other Commercialized Materials // Electrochemical Energetics. 2020. V. 20, No. 3. P. 115-131 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-3-­115-131.

Истомина А.С., Бушкова О.В. Полимерные связующие для электродов литиевых аккумуляторов. Часть 2. Синтетические и природные полимеры // Электрохимическая энергетика. 2020. Т.20. №4. С. 175-205. A.S. Istomina, O.V. Bushkova, Polymer Binders for the Electrodes of Lithium Batteries. Part 2. Synthetic and Natural Polymers / Electrochemical Energetics. 2020. V. 20, No. 4. P. 175-205 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-4-175-205.

Истомина А. С., Бушкова О. В. Полимерные связующие для электродов литиевых аккумуляторов. Часть 3. Проводящие полимеры // Электрохимическая энергетика. 2021. Т. 21, № 1. С. 3–21. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2021-21-1-3-21. Istomina A. S., Bushkova O. V. The polymer binders for the electrodes of lithium batteries. Part 3. Conductive polymers. Electrochemical Energetics, 2021, vol. 21, no. 1, pp. 3–21 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1608-4039-2021-21-1-3-21

Статьи

O.V. Bushkova, A.M. Erkabaev, T.V. Yaroslavtseva, O.G. Reznitskikh. Ion aggregation and phase separation in amorphous poly(nitrile)-based lithium conducting polymer electrolytes // Solid State Ionics. 2019. V.333 P. 57–65. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2019.01.021

V.D. Zhuravlev, A.V. Shikhovtseva, L.V. Ermakova, E.Yu. Evshchik,E. A. Sherstobitova, D. V. Novikov, O. V. Bushkova, Y.A. Dobrovolsky. Solution Combustion Synthesis of Lithium Cobalt Oxide – Cathode Material for Lithium-Ion Batteries // Int. J. Electrochem. Sci. 2019. V. 14. P.2965 – 2983. https://doi.org/10.20964/2019.03.79

O.I. Gyrdasova, N.S. Sycheva, I.V. Baklanova, L.Yu. Buldakova,·M.Yu. Yanchenko, K.V. Nefedova, V.N. Krasil’nikov. Synthesis, structure, optical, voltammetric and photocatalytic properties of manganese-activated ZnO // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019. V. 30. P.8820–8831. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01207-1

Sh.M. Khaliullin, K.V. Nefedova, V.D. Zhuravlev. Nanocomposites mAl2O3–nYSZ by impregnation combustion synthesis with urea as a fuel // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2019. Vol. 28. No. 1. P. 1–9. https://doi.org/10.3103/S1061386219010072

A.S. Tolkacheva, S.N. Shkerin, K.G. Zemlyanoi, O.G. Reznitskikh, S.V. Pershina, P.D. Khavlyuk. Thermal and electrical properties of Ca5Mg4-xZnx(VO4)6 (0≤x≤4) // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2019. V. 136. P. 1003–1009. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7780-z

E.A. Il’ina, A.A. Raskovalov, O.G. Reznitskikh. Thermodynamic properties of solid electrolyte Li7La3Zr2O12 // Chem. Thermodynamics. 2019. V. 128. P. 68-73. https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.08.009

M.A. Semkin, N.V. Urusova, S. Lee, M.O. Kalinkin, D.K. Kuznetsov, N.A. Kulesh, D.S. Neznakhin, D.G. Kellerman, A.N. Pirogov, Structure and magnetic properties of LiNi1-xCoxPO4  magnetoelectrics with x = (0, 0.1, and 0.2) // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1389. P. 012050-6. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1389/1/012050

N.V. Urusova, M.A. Semkin, E.A. Filonova, M. Kratochvilova, D.S. Neznakhin, J.-G. Park, A.N. Pirogov, Magnetic properties of Sr2Ni1–xMgxMoO6 (x = 0.25 and 0.5) double perovskite structure // J. Phys.: Conf. Ser.  2019, V. 1389, P. 012131-7. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1389/1/012131

A. M. Erkabaev, T. V. Yaroslavtseva, O. G.Reznitskikh, O. V.Bushkova. Solvation of anions in acetonitrile solutions: FTIR and quantum chemical study for Br−, ClO4−, AsF6−, and CF3SO3− // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2020.  - V. 229. – P.117873. https://doi.org/10.1016/j.saa.2019.117873.

I. Krutikova, M. Ivanov, A. Murzakaev, K. Nefedova. Laser-synthesized Ce3+ and Pr3+ doped Y2O3 nanoparticles and their characteristics // Materials Letters. – 2020. - V.265. – P. 127435. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127435

E.Yu. Evshchik, E.A. Sanginov, R.R. Kayumov, V.D. Zhuravlev, O.V. Bushkova, Yu.A. Dobrovolsky Li4Ti5O12/LiFePO4 solid-state lithium-ion full cell with lithiatednafion membrane // International Journal of Electrochemical Science. - 2020. - V. 15. - No. 3. – P. 2216-2225. https://doi.org/10.20964/2020.03.06

N. Urusova, M. Rajesh Kumar, M. Semkin, E. Filonova, M. Kratochvilova, D. Neznakhin, K. Grzhegorzhevskii, A. Ostroushko, J.-G. Park, A. Pirogov. Crystal structure and magnetic properties of Sr2Ni1-xMgxMoO6 (x=0, 0.25, 0.5, and 0.75) polycrystals // Solid State Sciences. – 2020. – V. 99. – P.106008-106010. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2019.106008

А.М. Эркабаев, Т.В. Ярославцева, О.В. Бушкова. Квантово-химическое и ИК-спектроскопическое исследование ионной ассоциации в растворах LiCF3SO3 в ацетонитриле // Журнал физической химии. – 2020. - T. 94. - № 5. - C. 706-712. DOI: 10.31857/S0044453720050064. (A.M. Erkabaev, T.V. Yaroslavtseva, O.V. Bushkova. Quantum-Chemical and IR Spectroscopic Study of Ionic Association in Solutions of LiCF3SO3 in Acetonitrile // Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2020. - V.94. - No. 5. - P. 933-938). https://link.springer.com/article/10.1134/S0036024420050064

В.Д. Журавлев, С.И. Щеколдин, С.Е. Андрюшин, Е.А. Шерстобитова, К.В. Нефедова, О.В. Бушкова. Электрохимические характеристики и фазовый состав литий-марганцевой шпинели с избытком лития Li1+xMn2O4 // Электрохимическая энергетика. - 2020. - Т. 20. - № 3. - С. 157–170. https://doi.org/10.18500/1608­0-4039-2020-20-3-157-170

Sanginov E.A., Borisevich S.S., Kayumov R.R., Istomina A.S., Evshchik E.Yu., Reznitskikh O.G., Yaroslavtseva T.V., Melnikova T.I., Dobrovolsky Y.A., Bushkova O.V. Lithiated Nafion plasticized by a mixture of ethylenecarbonate and sulfolane // Electrochimica Acta. – 2021. – Vol. 373. – P. 137914. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.137914

Istomina A.S., Yaroslavtseva T.V., Reznitskikh O.G., Kayumov R.R., Shmygleva L.V., Sanginov E.A., Dobrovolsky Y.A., Bushkova O.V. Li-Nafion Membrane Plasticised with Ethylene Carbonate/Sulfolane: Influence of Mixing Temperature on the Physicochemical Properties // Polymers. – 2021. – Vol. 13, No. 7. – P. 1150. https://doi.org/10.3390/polym13071150

Semkin M.A., Urusova N.V., Rajesh Kumar M., Kulesh N.A., Kalinkin M.O., Grzhegorzhevskii K.V., D.K. Kuznetsov, A.A. Ostroushko, A.N. Pirogov. Raman analysis and crystal structure of polycrystalline LiNi1-xCoxPO4 (x = 0-0.5) // Appl. Phys. A. – 2021. – Vol. 127, No. 67. – P. 1-11. https://doi.org/10.1007/s00339-020-04193-y

Titov A.N., Shkvarin A.S., Merentsov A.I., Bushkova O.V., Suslov E.A., Titov A.A., Avila J., Asensio M.C., Kazantseva N.V., Postnikov M.S. Janus Layers in the TiSe2−TiS2 System // Chemistry of Materials. – 2021. – Vol. 33, No. 22. – P. 8915–8925. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c03232  

Khaliullin S.M., Koshkina A.A. Influence of fuel on phase formation, morphology, electric and dielectric properties of iron oxides obtained by SCS method // Ceramics International. – 2021. – Vol. 47, No. 9. – P. 11942. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.01.035  

Резницких О.Г., Истомина А.С., Борисевич С.С., Евщик Е.Ю., Сангинов Е.А., Бушкова О.В., Добровольский Ю.А. Фазовая диаграмма этиленкарбонат-сульфолан // Журнал физической химии. – 2021. – T. 95, № 6. – С. 867-874. https://doi.org/10.31857/S0044453721060224 Переводная версия: Reznitskikh O.G., Istomina A.S., Borisevich S.S., Evshchik E.Yu., Sanginov E.A., Bushkova O.V., Dobrovolsky Yu.A. Phase Diagram of Ethylene Carbonate–Sulfolane System // Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2021. – Vol. 95, No. 6. – P. 1121–1127. https://link.springer.com/article/10.1134/S0036024421060224

Каюмов Р.Р., Шмыглева Л.В., Евщик Е.Ю., Сангинов Е.А., Попов Н.А., Бушкова О.В., Добровольский Ю.А. Изучение электропроводности литий-проводящих мембран Нафион, пластифицированных бинарными и тройными смесями системы сульфолан-этиленкарбонат-диглим // Электрохимия. – 2021. – Т. 57, № 8. – С. 507–516. https://doi.org/10.31857/S0424857021060049. Переводная версия: Kayumov R.R., Shmygleva L.V., Evshchik E.Yu., Sanginov E.A., Popov N.A., Bushkova O.V., Dobrovolsky Yu.A. Conductivity of Lithium-Conducting Nafion Membranes Plasticized by Binary and Ternary Mixtures in the Sulfolan–Ethylene Carbonate–Diglyme System // Russian Journal of Electrochemistry. – 2021. – Vol. 57, No. 8. – P. 911–920. https://doi.org/10.1134/S1023193521060045.

Semkin M.A., Urusova N.V., Hoser A., Beskrovnyi A.I., Pirogov A.N. Magnetic Structures of the LiNi0.9Co0.1PO4 Crystal // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2021. – V. 15, No. 5. – P. 890-895. https://doi.org/10.1134/S1027451021050165

Нефедова К.В., Журавлев В.Д., Халиуллин Ш.М., Тютюнник А.П., Булдакова Л.Ю. Исследование состава осадка, выпадающего из растворов для синтеза катодных материалов, содержащих марганец и лимонную кислоту //Теоретические основы химической технологии. – 2021. – Т. 55, № 1. – С. 1–7. https://doi.org/10.31857/S0040357121010115. Переводная версия: Nefedova K.V., Zhuravlev V D., Khaliullin Sh.M., Tyutyunnik A.P., Buldakova L.Yu. Study of the composition of a precipitate formed from solutions for the synthesis of cathodic materials containing manganese and citric acid. // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2021. – Vol. 55, No. 1. –  P. 117–122. https://link.springer.com/article/10.1134/S0040579521010115

Zhuravlev V.D., Nefedova K.V., Evshchik E.Yu., Sherstobitova E.A., Kolmakov V.G., Dobrovolsky Yu.A., Porotnikova N.M., Korchun A.V., Shikhovtseva A.V. Effect of lithium borate coating on the electrochemical properties of LiCoO2 electrode for lithium-ion batteries // Chimica Techno Acta. – 2021. – Vol. 8, No. 1. – P. 20218101. https://doi.org/10.15826/chimtech.2021.8.1.01

Нефедова К.В., Журавлев В.Д., Мурзакаев А.М., Ягодин В.В., Кузнецов М.В., Евщик Е.Ю., Скачков В.М., Бушкова О.В. Влияние поверхностного слоя бората лития на электрохимические свойства LiNi1/3Mn1/3Сo1/3O2 как материала положительного электрода литий-ионного аккумулятора / Электрохимия. – 2021. – T. 57, № 11. – C. 654–669. https://doi.org/10.31857/S0424857021100108 Переводная версия: Nefedova K.V., Zhuravlev V.D., Murzakaev A.M., Yagodin V.V., Kuznetsov M.V., Evshchik E.Yu., Skachkov V.M., Bushkova O.V. The effect of the lithium borate surface layer on the electrochemical properties of the lithium-ion battery positive electrode material LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 / Russian Journal of Electrochemistry. – 2021. – Vol. 57, No. 11. – P. 1055–1069. https://doi.org/10.1134/S1023193521100104

О. Г. Резницких, Т. В. Ярославцева, А. А. Глухов, Н. А. Поповa, Н. В. Урусова, Н. Г. Букун, Ю. А. Добровольский, О. В. Бушкова, Синтез и сравнительное электрохиимческих характеристик твердых электролитов CsAg4Br2.5I2.5 и RbAg4I5 // Электрохимия, 2022, том 58, № 10, с. 676–687. DOI: 10.31857/S0424857022100103.

M.A. Semkin, N.V. Urusova, A.I. Beskrovnyi, S. Lee, A.N. Pirogov. Magnetic phase transitions in the LiNi0.9M0.1PO4 (M = Mn, Co) single crystals // Physica Scripta, 2022, V.97, №2, P.025707. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac4b6e

M.A. Semkin, N.V. Urusova, A. Hoser, D.S. Neznakhin, A.N. Pirogov. Models of Ni- and Co-ion occupation in LiNi0.5Co0.5PO4orthophosphate and its magnetic structure // Journal of Physics Condensed Matter, 2022, V.34, №16, P.165801. DOI10.1088/1361-648X/ac51ff

Н. В. Урусова, М. А. Сёмкин, A. Hoserd, А. Н. Пирогов. Особенности упорядочения Ni/Co в кристаллической структуре LiNi1-xCoxPO4 (x = 0.3, 0.5, 0.7) // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 10, с. 34–41. DOI: 10.31857/S1028096022100181

С.Н. Шкерин, А.Н. Мещерских, Т.В. Ярославцева , Р.К. Абдурахимова Спектры комбинационного рассеяния света и фотолюминесценция диоксида гафния, допированного катионами Ho, Er, Tm, Yb, Lu и Y // Физика твердого тела, 2022, том 64, вып. 12, С.1985-1999. DOI: 10.21883/0000000000

Glukhov A.A., Belmesov A.A., Nechaev G.V., Ukshe A.E., Reznitskikh O.G., Bukun N.G., Shmygleva L.V., Dobrovolsky Y.A. Anode material for all-solid-state battery based on solid electrolyte CsAg4Br2.5I2.5: Theory and experiment // Materials Science and Engineering: B, Volume 278, 2022, 115617, https://doi.org/10.1016/j.mseb.2022.115617.

V.N. Krasil’nikov, A.P. Tyutyunnik, V.P. Zhukov, I.V. Baklanova, O.G. Reznitskikh, E.V. Chulkov. Synthesis, structural and spectral characteristics of Cd3O2SO4 // Materials Today Communications, Volume 30, 2022, P.103215, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103215.

R.A. Shishkin, O.G. Reznitskikh, A. Yu Suntsov, V.L. Kozhevnikov, Properties of SrCe0.95M0.05O3 (M = La, Pr, Y, Sn) thermal barrier materials // Ceramics International, Volume 48, Issue 18, 2022, Pages 27003-27010, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.06.012.

Патенты

Журавлёв В.Д., Ермакова Л.В., Нефёдова К.В. Способ получения порошка оксида кобальта. Патент РФ № 2680514. Приоритет от 11.04.2018.

Бушкова О.В., Резницких О.Г., Ярославцева Т.В., Попов Н.А., Непомилуев А.М., Новиков Д.В., Добровольский Ю.А. Способ получения твёрдого электролита. Патент РФ № 2720349. Приоритет от 11.11.2019.

О.В. Бушкова, Д.А. Ватлин, Н.А. Попов, О.Г. Резницких, Т.В. Ярославцева, А.А. Глухов, А.Е. Укше, Ю.А. Добровольский. Ячейка химического источника тока. Патент РФ № 2776736. Приоритет от 17.11.2021.