Projekti / Programi
Al‒organski polimerni akumulatorji
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P401 |
Naravoslovno-matematične vede |
Elektrokemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Al akumulatorji, organski polimeri, katoda, nanostrukturizacija, študija mehanizma, spektroskopija, stacionarno shranjevanje energije
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
35377 |
dr. Jan Bitenc |
Materiali |
Vodja |
2019 - 2021 |
0 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
10 |
Povzetek
Shranjevanje električne energije je eden izmed največjih znanstvenih in tehnoloških izzivov 21. stoletja. Različni akumulatorski sistemi ponujajo odgovor na ta izziv, vendar je potrebno ob široki aplikaciji teh sistemov poskrbeti za okoljsko vzdržnost materialov iz katerih so sestavljeni akumulatorji. Okoljsko vzdržni akumulatorski sistemi, bi bili lahko osnovani na Al, ki je cenena in dostopna kovina. Trenutne raziskave so uspešno demonstrirale AlCl3-grafitne akumulatorje, kjer na katodni strani ne gre za interkalacijo Al kationov, ampak interkalacijo AlCl4- aniona. To pomeni, da je kapaciteta takšnega akumulatorskega Sistema omejena s količino elektrolita, ki vsebuje AlCl3. Rezultati iz literature kažejo, da je interkalacija Al kationov v anorganske materiale zelo težavna, zato projekt predlaga uporabo organskih materialov kot katod v Al-organskih akumulatorjih. Bistvena težava organski materialov je hiter upad kapacitete, ki je posledica odtapljanja aktivnega materiala v elektrolit. Naša predlagana rešitev je priprava polimerov preko polikondenzacije in direktnega sklapljanja elektroaktivnih skupin. Za optimizacijo praktične kapacitete katod predlagamo dva pristopa. Najprej bomo poskusili optimizacijo Al elektrolitov z dodatkom različnih topil. V drugem pristopu bomo nanostrukturirali polimere s pomočjo različnih prevodnih ogljikov (ogljikove nanocevke, različni grafenski materiali …). Nanostrukturizacija katodnih kompozitov s prevodnimi ogljiki bo tudi izboljšala delovanje katod pri povišanih tokovnih gostotah. Drugi cilj projekta bo študija elektrokemijskega mehanizma na katodni strani. Elektrokemijski mehanizem polimerov bomo preučevali s pomočjo operando ATR-IR spektroskopije, ki nam omogoča vizualizacijo IR aktivnih sprememb znotraj organskega katodnega materiala. Točna elektrokemijska narava Al zvrsti bo določena s pomočjo dveh metod ex-situ 27Al NMR v trdnem in operando Ramanske spektroskopije. Kombinacija dobrega elektrokemijskega delovanja in določen elektrokemijski mehanizem bosta odprla novo temo na področju Al baterij in omogočila dobre temelje za nadaljnjo uspešno kariero podoktorskega raziskovalca.
Pomen za razvoj znanosti
Projekt Al-organski polimerni akumulatorji bo razvil akumulator na osnovi obnovljivih materialov, kar je bistvenega pomena za naslednjo generacijo akumulatorjev. Trenutni Al akumulatorji so osnovani na grafitni katodi, vendar se v tej katodi interkalirajo AlCl4? anioni med grafitne plasti namesto Al kationov. To pomeni, da je kapaciteta takšnih akumulatorjev omejena s količino AlCl3, ki je ena izmed komponent elektrolita. Zaradi težavne interkalacije Al kationov v anorganske strukture bomo uporabili organske materiale, bolj specifično organske polimere zaradi preprečevanja odtapljanja organskih materialov v elektrolit. Optimizirali bomo praktično dosegljivo kapaciteto s pomočjo nanostrukturiranja katod in optimizacije Al elektrolitov. Nanostrukturizirani katodni kompoziti nam bodo omogočili Al?organski akumulator z izboljšano energijsko gostoto in močjo. Po demonstraciji organske polimerne katode se bomo lotili študije elektrokemijskega mehanizma s pomočjo operando ATR-IR in Ramanske spektroskopije ter ex-situ 27Al NMR v trdni fazi. Dobro elektrokemijsko delovanje in določen elektrokemijski mehanizem katode bosta odprla novo področje raziskav na Al akumulatorjih in omogočila objave v visoko rangiranih revijah. Razložen mehanizem bo tudi omogočil oceno komercialne perspektivnosti Al?organskega akumulatorja, ki bi bila osnovana na trajnostnih in lahko dostopnih materialih. Komercializacija takšnega sistema bi bila možna tudi v Slovenija, saj trenutno že imamo velikega proizvajalca Al (Talum) in bi zlahka razvili kapacitete za sintezo organskih katod.
Pomen za razvoj Slovenije
Project Al?organic polymer rechargeable batteries will develop battery based on sustainable materials, which is of utmost importance for next generations of batteries. Current state-of-the-art Al batteries are based on graphite cathode, but in graphite cathode AlCl4? is intercalated between graphite sheets instead of Al cations. This means that such batteries are limited by the amount of AlCl3, which is one of the components of the electrolyte. Due to difficult intercalation of Al cations inside the inorganic cathode, we will instead use organic cathodes, more specifically, organic polymer cathodes to prevent capacity fade due to dissolution of organic materials into electrolyte. We will optimize the capacity utilization of the cathode through cathode nanostructurization and Al electrolyte optimization. Nanostructurized cathode composites will give us Al?organic polymer battery with improved power and energy density. After demonstration of organic polymer cathode we will explain the electrochemical mechanism through operando ATR-IR and Raman spectroscopy and ex-situ solid state 27Al NMR. Good electrochemical performance coupled with the explained battery mechanism of cathode operation will open a new field of Al battery research and allow us to publish our findings in high ranking journals. Explained mechanism will also help us to determine future commercial viability of Al?organic battery, which would be based on sustainable and abundant materials. Commercialization of such Al-organic battery system would be possible even Slovenia. We already have large Al producer (Talum) and could easily develop capacities for organic cathode material preparation.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
