Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARRS

Novi, okolju prijazni, visokoenergijski materiali za litijeve ionske akumulatorje

Raziskovalna dejavnost

Koda Veda Področje Podpodročje
2.04.01  Tehnika  Materiali  Anorganski nekovinski materiali 

Koda Veda Področje
P401  Naravoslovno-matematične vede  Elektrokemija 
P410  Naravoslovno-matematične vede  Teoretična kemija, kvantna kemija 
P260  Naravoslovno-matematične vede  Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija 
P351  Naravoslovno-matematične vede  Strukturna kemija 
T150  Tehnološke vede  Tehnologija materialov 
T153  Tehnološke vede  Keramični materiali in praški 
Ključne besede
litijevi ionski akumulatorji, praškovna rentgenska difrakcija, Mössbauer spektroskopija, NMR tehnika, računalniške simulacije
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (3)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacij
1.  19277  dr. Robert Dominko  Materiali  Vodja  2007 - 2010  702 
2.  05958  dr. Darko Hanžel  Fizika  Raziskovalec  2007 - 2010  174 
3.  18146  dr. Gregor Mali  Fizika  Raziskovalec  2007 - 2010  365 
Organizacije (2)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacij
1.  0104  Kemijski inštitut  Ljubljana  5051592000  20.824 
2.  0106  Institut "Jožef Stefan"  Ljubljana  5051606000  85.605 
Povzetek
Današnja generacija litijevih ionskih baterij uporablja LiCoO2 kot aktivni katodni material. Slabosti LiCoO2, ki onemogočajo njegovo širšo uporabo so poleg toksičnosti kobalta, tudi njegova visoka cena oz. zelo majhna količina za industrijsko predelavo dostopne kobaltove rude. Na osnovi teh spoznanj lahko enostavno trdimo, da sta ravno železo in mangan prehodni kovini, ki imata potencial v baterijah. Obetajoč katodni material Li2(Mn/Fe)SiO4, ki je bil sočasno razvit v našem laboratoriju in v Angstrom laboratoriju, Uppsala, Švedska, zadovoljuje vse potrebe sodobnega katodnega materiala za novo generacijo velikih litijevih ionskih baterij. Predlagan material je poceni, sestavljen iz konstituentov, ki so v izobilju v naravi. Omogoča pa tudi izrabo oksidacijskega prehoda iz Mn(II) v Mn(IV) in s tem kapaciteto okoli 300mAh/g. To je dvakrat več kot trenutno omogoča LiCoO2. Na tem mestu pa je tudi potrebno omeniti, da je predlagan katodni material eden izmed redkih, če ne edinstven, ki omogoča več kot 1 elektron reakcijo v litijevih ionskih baterijah. Za njegovo širšo komercialno uporabo je potrebno rešiti vsaj dva problema. Prvi je nizka elektronska prevodnost, ki jo je mogoče rešiti z optimalnim elektrokemijskim ožičenjem. Druga slabost pa je termodinamska nestabilnost Li2MnSiO4 med izgradnjo litija in možnost izgradnje samo 1 mol litija iz Li2FeSiO4 v stabilnostnem potencialnem območju elektrolitov. Torej je realno pričakovati, da bo mešanica Mn in Fe izboljšala stabilnost Li2(Mn/Fe)SiO4 v tej meri, da bo še vseeno omogočena izmenjava >1 elektron glede na prehodno kovino, oz. da bomo še vseeno lahko izkoriščali prehod oksidacijskega stanja mangana iz Mn(II) v Mn(IV). Projekt bo osredotočen na: (a) bazične raziskave pri sintezi Mn/Fe silikatnih katodnih materialov za uporabo v litijevih ionskih baterijah, ki bodo temeljile na praktičnih eksperimentih in teoretičnih kalkulacijah; (b) uporabo različnih karakterizacijskih tehnik (NMR, in-situ XRD, elektrokemijska testiranja, Mössbauer spektroskopija, itd) za ovrednotenje predlaganega materiala.
Pomen za razvoj znanosti
Projekt je v osnovi tematsko usmerjen temeljni raziskovalni projekt, ki izkorišča znanja s področja Znanosti o materialih in računalniških simulacij ter kombinacijo različnih „in-situ” karakterizacijskih metod z namenom razumeti delovanje naprednih katodnih materilov z povišano energijsko gostoto. Takšen interdisciplinarni pristop, kjer se sočasno uporablja več karakterizacijskih tehnik, je v primeru litijevih ionskih akumulatorjev še posebej zahteven saj gre za večkomponentne ter večfazne sisteme s številnimi mejnimi področji, ki jih dodatno zapletejo termodinamske in kinetične lastnosti elektrod. „In-situ” karakterizacijske metode, podprte z računalniškimi simulacijami, ki jih uporabljmo v projektu, so v uporabi samo v nekaj laboratorijih po svetu. Obenem pa nam njihova kompleksnost omogoča pridobivati nova znanja o materialih ter vpogled v fizikalno kemijske lastnosti nekaterih materialov med uporabo v realnih sistemih, t.j. v litijevem ionskem akumulatorju. V projektu pridobljeni rezulati s kombinacijo različnih in-situ karakterizacijskih tehnik (in-situ kombinacija XRD in elektrokemije, in-situ kombinacija XRD in sinteze, in-situ kombinacija elektrokemije in Mössbauerske spektroskopije, in-situ kombinacija elektrokemije in rentgenske absorpcijske spektroskopije) dajejo celoten vpogled v delovanje predlaganih katodnih materialov, obenem pa so rezultati teh metod izredno dobro odmevni v znanstvenih krogih na področju, ki ga pokriva projektna skupina. Postavite in uporaba različnih metod (predvsel in-situ) je in bo v prihodnje uporabna tudi v razvoju novih materialov, saj je potreba po shranjevanju električne energije iz dneva v dan vedno večja. Projekt je obenem tudi omogočil nov pristop karakterizacije obravnavanih materialov z nuklearno magnetno resonanco (NMR), ki je edinstven na področju sorodinih polimorfnih spojin in omogoča veliko lažjo strukturno karakterizacijo. Preliminarna dodatna preverjanja z uporabo računalniških simulacij nakazujejo na pravilnost pristopa in bodo bistveno vplivala na razumevanje fizikalno kemijski lastnosti preučevane skupine materilov in tudi širše.
Pomen za razvoj Slovenije
Shranjevanje električne energije iz obnovljivih virov, oz. energije na splošno postaja svetovni problem. V tem pogledu je delo na projektu primarnega inetersa na svetovnem nivoju in uvršča našo projektno in raziskovalno skupino v sam svetovni vrh, kar je tudi promocija Slovenije znotraj raziskovalnega področja in zainteresiranih industrijskih partnerjev širom po svetu. Delo na projektu je privabilo k sodelovanju priznane raziskovalce na našem področju iz različnih univerz in raziskovalnih inštitucij. Takšna sodelovanja samo plemenitijo rezultate tega projekta. Ta sodelovanja se izražajo v skupnem mentorstvu doktorandke iz Tajske s francosko univerzo Universite de Picardie Jules Verne v Amiens (financirana je iz strani francoskega partnerja oz. pristojne francoske agencije) ter v vodilni vlogi vodje projekta v virtualni mreži evropskih laboratorijev, ki delujejo na področju raziskav na litijevih ionskih akumulatorjih. Močna vpletenost v evropski raziskovalni prostor omogoča še bolj kvalitetne raziskave in obenem utrjuje ugled naše raziskovalne skupine na evropskem in tudi svetovnem nivoju. Obenem lahko tudi potrdimo, da pridobljena znanja, če ravno niso direktno uporabna v slovenski industriji, nam omogočajo reševanje težav s katerimi se srečujejo naši industrijski partnerji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Letno poročilo 2008, 2009, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Letno poročilo 2008, 2009, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si
Zgodovina ogledov
Priljubljeno