Projekti / Programi
Nanostrukturirane katode za litij žveplove akumulatorje
| 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 |
Shranjevanje energije, litij žveplovi akumulatorji, nanoarhitektura, senzorji, spektroskopske metode, elektroanalitske metode
Raziskovalci (9)
Organizacije (2)
Povzetek
Trajnostni razvoj in povpraševanje po akumulatorskih sistemih za shranjevanje električne energije z visoko energijsko gostoto postavlja v ospredje kot primernen sistem litij-žveplove (Li-S) akumulatorje. Prednost Li-S akumulatorjev je predvsem v njihovi visoki energijski gostoti (2500 Whkg-1, oziroma 2800Whl-1) in pričakovani nizki ceni, zaradi žvepla kot poceni surovine. Trenutno se Li-S tehnologija sooča z dvema poglavitnima problemoma in to je (i) zelo nizka intrinzična prevodnost žvepla in tudi polisulfidov kot vmesnih in končnih produktov med delovanjem akumulatorja ter (ii) izguba aktivne mase zaradi topnosti polisulfidov v elektrolitih, ki so primerni za ta sistem. Načelno je mogoče nizki intrinzični prevodnosti izogniti z uporabo ustreznega elektronskega ožičenja tankih plasti žvepla. Pojav topnih polisulfidov je opazen kot izguba aktivne mase elektrode med polnjenjem in obenem so topni polisufidi odgovorni za slabši energijski izkoristek znotraj vsakega cikla (nastanek topnih polisulfidov lahko povzroči, da je energija za ponjenje mnogokrat višja od energije, ki smo jo dobili med praznjenjem). Eden izmed namenov projekta je, da poiščemo primerno elektrokemijsko okolje, ki bo omogočalo stabilno delovanje Li-S akumulatorja z visoko energijsko učinkovitostjo. Med vsemi opisanimi rešitvami v literature, nobena ne ponuja popolne rešitve, vendar pregled dosedanjega dela nakazuje na potrebo po dekoraciji/spreminjanju lastnosti površine nosilca za žveplo v smer, ki bo omogočila šibke vezi med površino in polisulfidi (pretežno s polisulfidi z dolgo verigo).
Glede na obseg dosedanjih rezultatov bodo smernice projekta usmerjene v načrtovanje in krojenje fizikalno kemijskih lastnosti nosilca, ki ga uporabljamo za impregnacijo z žveplom. Bolj specifično bomo preučevali in optimizirali naslednje parametere:
Vpliv površine (BET) na kapaciteto in stabilnost delovanja;
Vpliv poroznosti (velikosti por, volumen por, oblika por, tip poroznosti,…)
Vpliv deleža žvepla in aditivov na delovanje (normaliziran na eno lastnost dodatka, npr BET površino, volumen por ali velikost por);
Vpliv površinskih lastnosti prevlek (površinske skupine, hidrofobnost, vpliv površinskih defektov,…) na “shuttle” mehanizem in kapaciteto.
Z namenom, da bi razumeli vpliv različnih fizikalno kemijskih lastnosti na stabilnost delovanja ter na energijsko učinkovitost, bo potrebno uporabiti analitske tehnike, ki bodo omogočale zaznavanje in identificiranje majhnih količin topnih polisulfidov in nam s tem vsaj delno pomagale razumeti mehanizem delovanja Li-S akumulatorja pri različnih pogojih. S tem namenom bomo skupaj s partnerji razvili in uporabili in-situ analitske tehnike, ki bodo omogočile detekcijo intermediatnih produktov v realnem času. Vse to nameravamo uporabiti kot uporabno orodje za napovedovanje stabilnosti kapacitete in za razumevanje mehanizmov delovanja litij-žveplovega akumulatorja. V projektu bomo uporabili elektrokemijske analitske metode, spektroskopske analitske metode ter analitske metode s področja fizike nizkoenergetskih stanj (rentgenska absropcijska spektroskopija - XAS in Mossbauerska spektroskopija). Za namen izvajanja XAS meritev smo že pridobili dvoletni projekt na sinhtronu Elettra v Trstu (vse skupaj 360ur).
Nosilce za impregnacijo z žveplom bomo razvijali skupaj s partnerjem na Max Planck inštitutu za koloidno kemijo. Dekoracij površine z različnimi površinskimi skupinami pa bo potekalav sodelovanju z največjim evropskim laboratorijem za litijeve akumulatorje v Amiens, Francija.
Predividevamo, da lahko z sistematičnimi raziskavami in s sodelovanjem, ki presega finančne okvire tega projekta, dosežemo stabilno kapaciteto delovanja Li-S akumulatorjev (padanje kapacitete manjšekot 0.025% na cikel delovanja) in energijsko gostoto vsaj 400Wh/kg.
Pomen za razvoj znanosti
Nedvoumno je projekt pomemben za razvoj litij žveplovih akumulatorjev. Prvi indikator je število publikacij in število vabljenih predavanj, ki so plod projekta. Eden izmed najpomembnejših dosežkov je bil razvoj analitskih metod, ki ima izreden pomen, saj omogoča boljše razumevanje uvajanja novih komponent v sistem litij žveplo. Predvsem razvoj in aplikacija UV-Vis spektroskopije in rentgenske absropcijske spektroskopije so zelo dobro sprejeti v literaturi, na kar kaže tudi število citatov. Nadalje, v projektu smo pokazali vlogo številnih poroznih substratov, znanje je prevzeto v HELIS projektu in se uporablja pri načrtovanju komponent za Li-S prototipe s kapaciteto 5Ah, ki jih znotraj projekta pripravljamo. Naslednji pomemben dosežek je razvoj tankega filma na separatorju na osnovi fluoriranega grafen oksida. Patentna vloga je v fazi podljevanja evropskega patenta in delo se nadaljuje v sklopu HELIS projekta, kjer sedaj uporabljamo kemijsko modificirano celulozo in jo nameravano uporabiti v prototipih znotraj projekta HELIS.
Pomen za razvoj Slovenije
Neposreden pomen za razvoj Slovenije je bogatenje znanja znotraj baterijske skupine na Odseku za kemijo materialov na Kemijskem inštitutu. S tem se ustvarja okolje, ki omogoča uspešno sodelovanje s številnimi industrijskimi partnerji v Sloveniji (Pipistrel, TAB, ELES, ISKRA Autoelektrika, Emrax, in ostali). Okoljske zahteve in vse večja uporaba obnovljivih virov prinaša tudi vse večjo uporabnost akumulatorjev, ki služijo kot vmesni hranilniki električne energije. Ravno tako postaja tudi pomembno razumevanje različnih akumulatorskih sistemov, ki jih znotraj skupine razvijamo. S samim razvojem pa tudi posredno vplivamo na razvoj Slovenije. Namreč eden izmed največjih deležev v slovenskem BDP je sodelovanje z avtomobilskim sektorjem in ravno ta sektor se vse bolj seli na področje elektromobilnosti. Znanje o akumulatorskih sistemih je tako zelo pomembno tudi za ta sektor. Nedvoumno pa je prihodnost v uporabi obnovljivih virov, kjer bodo akumulatorji pomemben člen in akumulirano znanje v skupini bo zelo pomembno za razvoj Slovenije na tem področju.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
