Projekti / Programi
Redoks aktivni organski materiali za shranjevanje električne energije
| 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 električne energije, sodobni baterijski sistemi, kompozitne elektrode, redoks aktivni organski materiali
Raziskovalci (9)
Organizacije (3)
Povzetek
Akumulatorski sistemi, kjer se bo uporabljal organski elektroaktivni katodni material, pridobivajo na pomenu v aplikacijah, kjer je potreben trajnostni razvoj. Redoks aktivne katodne materiale lahko uporabimo v povezavi s kovinskim litijem ali katerokoli drugo anodo na osnovi zemeljsko alkalnih kovin kot so npr. magnezij ali kalcij. Med vsemi možnimi kombinacijami organskih spojin so karbonilne spojine trenutno najboljša izbira za uporabo v akumulatorskih sistemih, ker izkazujejo visoko specifično kapaciteto, hitro kinetiko delovanja in številne možne variacije strukture. To družino organskih materialov je mogoče tudi z lahkoto modificirati, s čemer lahko se lahko tudi vpliva na napetost redoks procesa. Med vsemi možimi variacijami so najbolj zanimive majhne molekule, ki pa so na žalost vsaj deloma ali popolnoma topne v organskih topilih, ki se uporabljajo za pripravo elektrolitov. Topnost redoks aktivnih organskih molekul je mogoče zmanjšati ali popolnoma ustaviti s polimerizacijo, z uporabo topil v katerih organske molekule niso topne ali pa s pripenjanjem na netopne nosilce. Polimerizacija je sicer najbolj obetavna metoda preprečevanja topnosti, vendar pa polimeriziran material predstavlja prepreko za transport elektronov in kationov. Zaradi tega se znatno zniža učinkovitost izrabe aktivnega materiala, kar posledično vpliva na energijsko gostoto sistema. Z ustrezno formulacijo kompozitne elektrode, na primer z uporabo elektronsko prevodnih materialov med polimerizacijo, lahko močno vplivamo na elektrokemijske lastnosti kompozitnih elektrod na osnovi polimerov. Naslednji pomemben parameter, ki vpliva na kvaliteto akumulatorjev, je njihova stabilnost med delovanjem in energijska učinkovitost. Obe lastnosti sta pogojeni z mehanizmom prenosa naboja in mehanizmom staranja (elektrokemijsko in kemijsko staranje na faznih mejah). Zato je potrebno dobro razumevanje redoks reakcij in kako poteka prenos naboja, obenem pa tudi razumevanje nastanka nepovratnih reakcij na površini. Oba procesa lahko preučujemo z uporabo in operando karakterizacijskih tehnik. V tem projektu bo to izvedeno s pomočjo uprabe in operando FTIR in XRS spektroskopije. Najbolj obetavni materiali se bodo testirali v akumultorskih sistemih z litijevo, magnezijevo ali kalcijevo anodo.
Pomen za razvoj znanosti
a,b) odkritje novih zakonov, nova znanstvena spoznanja
Projekt je v osnovi temeljni raziskovalni projekt usmerjen v aplikacijo, ki izkorišča znanja s področja znanosti o materialih, organske kemije in tehnologije priprave kompozitnih elektrod na osnovi redoks aktivnih organskih spojin.
c) izpopolnitev oziroma razširitev metodološkega inštrumentarija
Znotraj predlaganega projekta nameravamo izpopolniti znanje o sintezi organskih spojin, njihovo vključevanje v komozitne electrode in mehanizme delovanja ter mehanizme staranja, ki jih bomo preučevali z in situ spektroskopskimi metodami.
d) razvoj temeljnega raziskovalnega področja
Predlagani projekt je v skladu z bazičnimi raziskavami laboratorijev vključenih v predlagane raziskave. Raziskave vključujejo sintezo novih aktivnih organiskih spojin in razvoj novih arhitektur za katodne kompozite. Obenem nameravamo razviti in-situ IR spektroskopijo, ki bo omogočala spremljanje redoks aktivnosti in staranje (kemijsko in elektrokemijsko). V sodelovanju s kolegi iz IJS bomo paralelno spremljali spremembe v oksidacijskih stanjih in degradacijo spremljali s sinhrotronskimi tehnikami. V tem pogledu predlagan projekt združuje kompleksna znanja strokovnjakov iz različnih področij.
e) razvoj drugih temeljnih znanosti
Projekt združuje znanje tri različne laboratorijev iz treh različnih inštitucij in predlagan projektni tim bo imel priložnost nadgraditi znanje in izkušnje izven svojega področja, kar bo predvidoma omogočilo razvoj novih znanj.
f) razvoj aplikativnega raziskovanja
Predvidevamo, da bo predlagan projekt pomagal bolj sistematično izpopolniti področje aplikativnih raziskav na področju redoks aktivnih spojin za shranjevanje električne energije. Usmerili se bomo v spojine z visoko energijsko gostoto in pripravo katodnih kompozitov, ki bo zagotovljal visoko izrabo aktivne spojine in stabilno obnašanaje med konstantnim polnjenejm in praznjenjem pri čemer bo energijska gosota akumulatorja več kot 250Wh/kg. Takšni akumulatorji bodo pravilnoma omogočili trajnostno uporabo in zniževali proizvodno ceno.
g) razvoj novih tehnologij
Shranjevanje električne energije iz obnovljivih virov je še vedno minimalno, delno tudi zaradi dejstva, da so trenutno dosegljivi komercialni akumulatorji večinoma predragi in tako ekonomsko neupravičeni. Z uvedbo novih akumulatorjev na osnovi redoks aktivnih organskih molekul lahko pričakujemo znatno znižanje njihove cene in s tem tudi ne samo njihov razvoj, temveč tudi razvoj vseh področjih, kjer volumen celic ne igra pomembno vlogo.
i) razvoj industrijskega raziskovanja
Predvidevamo, da bodo rezultati raziskav vodili k novi izboljšani tehnologiji prirave materialov in kompozitov na osnovi organskih redoks aktivnih spojin. Razširjenost in dostopnost poceni in trajnostno vzdržnih akumulatorjev bo pospešila razvoj področjih shranejvanja energije iz obnovljivih virov in pomenila korak naprej k vzpostavitvi ciljev iz Pariške podnebne conference.
Pomen za razvoj Slovenije
V sodobni družbi je nastanek dveh tretjin CO2 pogojen s transportom in proizvodnjo električne energije. Zniževanje teh emisij potrebuje drastične spremembe v tehnologijah povezanih s proizvodnjo električne energije, njene distribucije in shranjevanja za krajša vmesna obdobja. Akumulatorji za shranjevanje električne energije bodo imeli pri teh spremembah pomembno vlogo, zato torej je razvoj novih akumulatorjev iziv, s katerim se morajo spoprijeti predvsem strokovnjaki na področju kemije materialov in predividevamo, da bo ta razvoj imel velik vpliv na moderno drzžbo v bližnji prihodnosti. Proizvodnja in shranejvanje tako imenovane »zelene - obnovljive energije« je tudi priložnost za ekonomijo, čeprav so trenutno še te tehnologije, zaradi svoje zapletenosti, relativno drage in še niso konkurenčne fosilnom gorivom. Vendar že sedaj dosegajo visoko dodano vrednost in z nadaljnim razvojem je pričakovati njihovo širšo uporabnost in posledično večjo dostopnost. Predlagani projekt ponuja razvoj akumulatorskih sistemov, ki bodo trajnostno vzdržni, kar je pogojeno z uporabo organskih redoks aktivnih materialov za pozitivno elektrodo. Lahko tudi pričakujemo tudi nižjo ceno in predvsem nižjo porabo energije za njihovo izdelavo. Vse to bo imelo pomemben vpliv na razvoj moderne družbe v bližnji prihodnosti.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
