Projekti / Programi
Transport snovi in naboja v trdnih snoveh
01. januar 1999
- 31. december 2003
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P320 |
Naravoslovno-matematične vede |
Nukleinske kisline, sinteza beljakovin |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
mejna podroeja v trdni snovi, masni transport, kemijska difuzija, mešani prevodniki, elektrieni transport, prostorski naboj, pasivacija, pasivni filmi, impedanena spektroskopija, mikroimpedanca, toekaste elektrode, senzorji, litijevi akumulatorji
Raziskovalci (5)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.957 |
Povzetek
Znanje o transportu ob in skozi meje med zrni v keramiki (in sorodnih trdnih materialih) izvira iz zelo razlienih podroeij: elektrokemije trdnega stanja (heterogeno dopiranje, proueevanje meje elektroda/elektrolit), znanosti o materialih (prouee-vanje sintranja, lezenja, funkcijske keramike, transmisijske elektronske mikroskopije) in iz znanosti o fotografskih proce-sih. V naši raziskovalni skupini je zbranih veeina navedenih znanj, del katerih smo v zadnjih letih (ob sodelovanju z ugle-dnimi tujimi skupinami) strnili v tako imenovani model jedro - prostorski naboj. Ta model omogoea povezavo med struk-turo fazne meje in gostoto gibljivih toekastih defektov na sami meji in v njeni okolici. Poleg mobilnosti je namrec gostota defektov kljueni parameter, ki doloea transportne lastnosti. Model jedro - prostorski naboj predstavlja torej osnovo, na po-dlagi katere lahko izpeljemo razliene transportne koeficiente. Vsak model je dobro preveriti s poskusi - preverjanje opisa-nega modela pa želimo realizirati prav v predlaganem programu. Kar namree trenutno lahko merimo, so transportni koefi-cienti keramike kot celote in ti vsebujejo informacijo tako o lastnostih posameznih meja kot o mikrostrukturi merjenca. Obstaja vee modelov, ki povezujejo lastnosti ene same meje z lastnostmi celotne keramike. Najpreprostejša mikrostrutura je privzeta v modelu zložene opeke, ki so ga kasneje dopolnili z modelom efektivnega medija, nazadnje pa so ga obravna-vali rigorozno - brez poenostavitev. Skupno sporoeilo teh modelov je, da lahko na osnovi znane mikrostrukture in znanih lokalnih mejnih lastnosti, neposredno napovemo prevodnost keramike (impedanco, kemijsko difuzijo), medtem ko je obra-tna pot možna samo pogojno in je vedno vezana na razliene predpostavke. To je inherentni problem makroskopske (kon-vencionalne) karakterizacije transportnih lastnosti mej. Namen predlaganega raziskovalnega programa torej lahko strnemo v dve toeki: 1) Razvoj tehnike, s katero bomo eim nataneneje izmerili transportne lastnosti ene same meje v polikristalu. 2) Na osnovi meritev želimo postaviti splošno veljaven model, ki bo eim bolje povezal lokalne in makroskopske lastnosti keramienih materialov. Pri razvoju lokalnih tehnik je bil pomemben napredek dosezen z uvedbo AFM, ki pa zaenkrat še ne daje kvantitativnih informacij o prevodnosti. Pred kratkim se je zaeel razvoj nekaterih novih tehnik - eno od teh smo uvedli v naši skupini, o eemer smo izerpno poroeali v projektu Impedanena spektroskopija mejnih podroeij. Druga tehnika se imenuje mikroimpedanena spektroskopija in se trenutno uporablja predvem za študij kontaktnih lastnosti polprevodnikov. Tehnika, ki jo nameravamo razviti v predlaganem programu, izhaja iz klasiene impedanene spektroskopije, kjer namesto planarnih elektrod uporabimo toekasto mikroelektrodo. Z merjenjem impedance v razlienih toekah površine polikristala in analizo dobljenih meritev bomo lahko loeeno doloeili prevodnost meje med zrni in zrna samega. V zaeetni fazi raziskav bomo tehniko preizkusili na modelnih materialih, na primer AgCl in AgBr. Rezulate bomo primerjali s teoretienimi modeli transporta snovi in elektrienega toka v podroeju mej med zrni, ki jih pravkar razvijamo v raziskovalni skupini. Ko bo tehni-ka razvita, bomo z njo analizirali uporabne keramiene materiale, ki jih razvijamo znotraj laboratorija (anode, katode, elek-troliti v litijevih akumulatorjih, materiali v gorivnih celicah ipd.), oziroma jih razvijajo v sorodnih laboratorijih (IJS,ZAG..)
Pomen za razvoj znanosti
Prieakovani rezulati bodo izboljšali razumevanje masnega transporta in transporta naboja vzdolž in preko mej med zrni v keramiki. Te pojave danes dobro razumemo pri polprevodnikih, kjer transport poteka preko elektronov in lukenj, v primeru ionskih in mešanih prevodnikov pa so omenjeni pojavi še vedno nezadovoljivo pojasnjeni, eeprav so fundamentalnega pomena za razumevanje tako pomembnih procesov kot je sintranje, delovanje senzorjev itd. Na osnovi teoretienih modelov bomo razvili tudi eksperimentalne postopke, ki bodo omogoeili verifikacijo teoretienih modelov. Neposredna - in potencialno tehnološko zanimiva - uporaba predlaganih raziskav, je v svetovnem merilu povezana z naslednjimi tehnološko zanimivimi problemi: - pasivacija in korozija kovin (posebej v sklopu razvoja litijevih akumulatorjev) - kinetika pri sintezi in sintranju trdnih materialov - izdelava plinskih senzorjev - visokotemperaturne oksidne gorivne celice - kisikove erpalke in elektrokemijski filtri - elektrokataliza
Pomen za razvoj Slovenije
V slovenskem prostoru bomo v okviru sodelovanja s slovensko industrijo pridobljeno znanje uporabili pri karakterizaciji in razvoju tehnološko zanimivih keramienih materialov oziroma materialov za moderne Li ionske baterije. Tipieen primer takih materialov so elektrode, pasivni filmi in nekateri elektroliti v litijevem akumulatorju. Tu mejna podroeja odloeilno vplivajo na konene karakteristike izdelka: kapaciteta, omahovanje napetosti, število doseženih ciklov itd. V sodelovanju z ISKRA-Tovarna baterij Zmaj nameravamo optimizirati obstojeei Li ionski akumulator, ki je sestavljen iz ogljikove anode, nevodnega elektrolita in oksidne (LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4 ipd.) katode. Proueevali bomo mehanizem nastanka in lastnosti pasivne plasti, ki nastane na elektrodah med delovanjem tega akumulatorja. Na osnovi znanja, ki ga bomo dobili z izvajanjem predlaganega programa, bomo poskušali najti rešitve, ki bodo zmanjšale predvsem zaeetne izgube kapacitete ter poveeati število ciklov v teh akumulatorjih. Da imajo predlagane raziskave velik pomen (tako za Slovenijo kot tudi v mednarodnem prostoru), nedvomno potrjuje dejstvo, da so nam za navedene raziskave na podroeju litijevih akumulatorjev odobrili projekt NATO Science for Peace (Lithium ion rechargeable batteries, nosilec na slovenski strani: prof. dr. Stane Pejovnik). Drug praktieen primer, v katerem lastnosti faznih mej igrajo odloeilno vlogo, je priprava pigmentnih past, ki jih razvijamo v okviru sodelovanja z Belinko. Na stabilnost ustreznih disperzij namree odloeilno vplivajo elektrokemijske lastnosti fazne meje trden delec-raztopina (elektriena dvoplast itd.). Pomembno je poudariti, da se oba gornja projekta neposredno navezujeta na dva razvojna cilja Slovenije: a) smotrna poraba energije (velika energijska gostota Li akumulatorjev) ter b) prepreeevanje onesnaženosti (izogibanje toksienim kobaltovim spojinam, zamenjava organskih topil v barvilih z vodo itd.).
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
