Projekti / Programi
Operando karakterizacijske tehnike za novodobne 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 |
Akumulatorji, IR in Raman spektroskopija, mehanizem, nova metoda, metal-organski akumulatorji, Li-bogati materiali, metal-žveplovi akumulatorji
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
35504 |
dr. Alen Vižintin |
Kemija |
Vodja |
2019 - 2021 |
138 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.968 |
Povzetek
Današnja družba in naš planet zahtevata trajnostne rešitve za zmanjševanje onesnaževanja in obremenitev na okolje, hkrati pa morajo izpopolnjevati vse večje potrebe po čisti energiji. Za zmanjšanje emisije ogljika in boj proti podnebnim spremembam moramo zmanjšati odvisnost od fosilnih goriv. To poziva po razvoju in uporabi novih tehnologij v elektrokemijskih napravah za shranjevanje energije. Eden ključnih akterjev za prihajajočo energetsko revolucijo je sistem, kateri vključuje shranjevanje električne energije, tako imenovani akumulatorji. Z implementacijo in prenašanjem novih materialov in tehnologij na trg, se pričakuje da se bodo energijske gostote in življenjske dobe akumulatorjev povečale. Da bi se to hitreje uresničilo se je pokazala potreba po razvoju novih metod preučevanja delovanja akumulatorjev (znanjem o mehanizmu, degradacijskih procesih) v realnem času (med njihovim delovanjem), katere so neinvazivne in nedestruktivne.
V prihodnjih novih generacijah akumulatorjev se pričakujejo novi ključni akterji, kateri bi lahko revolucionirali akumulatorske sisteme. Takšni novi koncepti so metal(Li ali Mg anode)-žveplovi akumulatorji, metal-organski (so vsestranski - lahko uporabimo različne kovinske anode (Li, Na, Mg, Ca in Al), nizkocenovni in trajnostni) akumulatorji in Li-bogati katodni materiali (visoke gravimetrične kapacitete in energijske gostote) za litij-ionske akumulatorje.
Pričujoči projekt se osredotoča na potrebi po razvoju nove in univerzalne operando analitične metode, katere osnova je vibracijska spektroskopija (ATR-IR in Raman) za preučevanje različnih reakcijskih mehanizmov pri novih tehnologij za akumulatorske sisteme naslednje generacija. Z novimi operando karakterizacijskimi pristopi se bo zmanjšal čas za razvoj novih katodnih materialov in elektrolitov (kar običajno se potrebuje veliko let, da se dobi visoko zmogljive katodne materiale / elektrolite) in pridobilo novo znanje o reakcijskih procesih znotraj akumulatorjev. V projektnem predlogu se predlaga novo analitsko metodo, ki je: a) enostavna, b) ne zahteva drage in z dostopom omejene sinhrotronske naprave, c) temelji na dostopnih laboratorijskih napravah, ki so pripravljena za takojšnjo uporabo (IR in Raman spektrometri), in d) kot analitično operando orodje, bo omogočila vpogled v elektrokemijski mehanizem materialov in degradacijo elektrolitov, s tem pa se bo zmanjšal čas za pripravo novih visokozmogljivih katodnih materialov in elektrolitov. Nova operando metodologija na osnovi ATR-IR in Ramanske spektroskopije bo omogočala spopadanje s pojavi, ki do sedaj se še niso reševali oziroma so se redko obravnavali zaradi pomanjkanja metod, kot so kvantitativno in kvalitativno ovrednotenje redoks reakcijskih mehanizmov pri organskih katodah, Li-bogatih materialih in metal-žveplovih akumulatorjih, degradacijski procesi materialov in elektrolitov pri dolgotrajnih ciklih praznjenja in polnjenja ter razumevanje nastanka in sestave pasivnega (SEI) filma na površini elektrod.
Pomen za razvoj znanosti
Najpomembnejše novosti, ki jih bo doprinesel projekt je nova operando metodologija na osnovi ATR-IR in Ramanske spektroskopije, ki bo omogočala spopadanje s pojavi, ki do sedaj se še niso reševali oziroma so se redko obravnavali v novodobnih akumulatorjih:
Kvalitativno in kvantitativno ovrednotenje redoks aktivnih mest v organskih katodnih materialih z različnimi anodami (Li, Mg, Ca, Al), vpogled v reakcijsko kinetiko organskih materialih kot funkcija tokovne gostote in študija degradacije katodnih materialov (organskih, Li bogatih katodnih materialih, metal-žveplovih akumulatorjih) pri daljših ciklih polnjenja in praznjenja. To bo omogočilo hitrejše in bolj sistematične sinteze katodnih materialov naslednje generacije, kateri bodo stabilnejši in zmogljivejši.
Vpogled v degradacijo elektrolitov pri višjih potencialih in pri daljših ciklih polnjenja in praznjenja. Za varnejše in zmogljivejše akumulatorje so elektroliti tudi ključnega pomena. Z razumevanjem degradacije elektrolita se bo omogočilo pripravo novih, varnejših in bolje delujočih elektrolitov.
Študija nastanka in sestave pasivnega (SEI) filma na površini elektrod je ključnega pomena za varno in boljše delovanje kovinskih anod (Li, Mg, Ca, Al) in višjih energijskih gostot. S tem ko se bo določilo kako in katere so vse komponente SEI-ja ter kako vplivajo na kovinske anode, bo omogočeno inženjiranje novih SEI-jev, ki bodo doprinesli k varnosti in stabilnejšemu delovanju kovinskih anod.
Študija anionske redoks reakcije pri Li-bogatih katodnih materialih bo pripomogla k boljšemu razumevanju mehanizma teh materialov ter pripomogla k razvoju novim Li-bogatih materialov za novodobne Li-ion akumulatorje.
Novi vpogled nastanka kovinskih polisulfidov v metal-žveplovih akumulatorjih bo privedlo do boljšega razumevanja problematike Li-S in Mg-S akumulatorjev ter omogočilo boljše načrtovanje materialov
Iz projekta se pričakuje, da bo vsaj nekaj rezultatov objavljenih v visokokakovostnih indeksiranih revijah (na primer: Nature, Science, ASC znanstvene revije (JACS, Chem. Mater, ACS Nano, ACS Energy Lett.)) in mednarodnih patentih. Velika pomembnost za temeljne študije reakcij v akumulatorjih z vibracijskimi spektroskopskimi tehnikami je bilo prikazano v našem nedavnem delu, ki ga je izdala revija Nature Communication ter delo izbrali za editors highlights. V tem projektnem predlogu se bo ta metoda nadaljnjo razvila in izpopolnila za aplikacije in karakterizacije različnih sestavnih delov akumulatorja.
Pomen za razvoj Slovenije
The project will introduce a new methodology based on operando ATR-IR and Raman spectroscopy for investigation of the reactions inside novel batteries during operation. The new methodology will allow probing of phenomena that have not been tackled or have rarely been addressed, such us:
Quantitative and qualitative evaluation of the redox active sites in organic cathode materials with different anodes (Li, Mg, Ca, Al) and insight into reaction kinetics occurring in organic materials as a function of current density. Furthermore, it will allow the evaluation of the material degradation (organic, Li-rich cathode materials, metal-sulfur batteries) during longer discharge/charge processes. This will allow for a faster and synthesis in a better systematic way for next generation cathode materials with higher performance and less degradation.
Insight into electrolyte degradation at higher potentials and during longer discharge/charge processes. The electrolyte is a key component inside the battery for a safer and better working. With the understanding of the electrolyte degradation, better and safer electrolytes will be formulated
It will allow to probe and determine the composition of the solid-electrolyte interphase (SEI) films on the electrode surface. The exact composition and the way how the SEI is formed on the surface and effect metal anodes is important for the safety and performance of batteries with high energy densities. With the knowledge of the components of SEI and how they affect the metal anodes, an artificial engineering will be possible.
Insight into the anionic redox reaction in Li-rich materials, will help to understand and open new ways to prepare new Li-rich cathodes materials for future Li-ion batteries
Novel insight in the evolution of the metal polysulfides in metal-sulfur batteries. Such insight will allow better understanding of the issues and designs of Li-S and Mg-S batteries.
From the project it is expected to publish at least some of the results in high quality indexed peer-reviewed publications (for example: Nature, Science ASC journals family (JACS, Chem. Mater, ACS Nano, ACS Energy Lett.)) and international patents. The high importance for fundamental studies of battery reactions with vibrational spectroscopy techniques it was shown in our recent work published and highlighted by the editor in Nature Communication, which in this project proposal will be further develop and perfected for applications and characterizations of different battery components.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
