Projekti / Programi
Kompoziti za litijeve baterije z veliko močjo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P360 |
Naravoslovno-matematične vede |
Anorganska kemija |
| P401 |
Naravoslovno-matematične vede |
Elektrokemija |
| T140 |
Tehnološke vede |
Energijske raziskave |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
Litijeve ionske baterije, supekondezatorji, kompoziti, elektrokemija, znanost o materialih
Raziskovalci (13)
Organizacije (2)
Povzetek
Shranjevanje energije je nedvomno velik iziv moderne družbe. Na eni strani pridobivanje energije vse bolj temelji na okolju prijazih virih kot so sončna energija, vetrna energija ipd, na dugi strani pa želimo izkoristiti vsak najmanjši vir energije, denimo celo energijo, ki jo pridobivamo med zaviranjem osebnih (tovornih) vozil. Za shranjevanje tako pridobljene energije potrebujemo neodvisno napravo z visoko energijsko gostoto kakor tudi z možnostjo prenosa visokih energetskih moči. Litijeve baterije so najresnejši kandidat, saj imajo visoko volumsko (300 Wh×kg-1) in masno (130 Wh×kg-1) specifično energijsko gostoto. Predlagani sistem litijevih baterij ima več prednosti pred ostalimi baterijskimi sistemi, kot so visoka kapaciteta, visoka napetost in vsoka energijska gostota, vendar energetska moč litijevih baterij ne zadostuje vsem potrebam potrošnikov (npr. v hibridnem vozilu). Znano je, da je možno povečati energetsko moč litijevih baterij s pomočjo nanostrukturiranih aktivnih materialov. Vendar pa se z uvedbo nanostrukturirani materialov pojavi težava s paralelnim ožičenjem aktivnih delcev z litijevmi ioni in elektroni. Ena od najbolj elegantnih rešitev tega problema je uporaba mezoporoznih in makroporoznih aktivnih materialov z debelino stene med 10 nm in 20 nm. Kratke difuzijske poti zagotavljajo hitro namestitev litija v strukturo, poroznost sistema omogoča dober dostop elektrolita, in s tem litijevih ionov po celotni površini aktivnega materiala. Če ob tem poskrbimo še za pravilno elektronsko ožičenje površine poroznega aktivnega materiala, smo izpolnili vse tri potrebne pogoje za litijeve baterije z visoko močjo. Dobro elektronsko ožičenje lahko denimo dosežemo s tanko plastjo dobrega elektronskega prevodnika po površini aktivnega materiala. Nadaljnje povečanje moči litijevih baterij je možno s tanko plastjo spojin, ki akumuliranjo višjo gostoto litija blizu površine in s tem omogočajo hitrejšo kinetiko.
Pomen za razvoj znanosti
Strukturiranje elektrodnih kompozitov v sistemih za shranjevanje energije je izrednega pomena za unčikovito uporabo teh sistemov tudi pri visokih tokovnih gostotah. Znanje o strukturiranju elektrodnih kompozitov za litijeve ionske baterije z veliko močjo je na voljo samo v nekaj laboratorijih na svetovnem nivoju. Namreč potreben je poseben pristop, ki omogoča paralelno ožičenje aktivnega materiala z litijevimi ioni in elektroni, kar pa zahteva kompleksen pristop pri sintezi in pripravi pravilno ožičenih kompozitov. Delo na TiO2 kompozitih je potrdilo pravilnost naših hipotez, da je s pravilnim pristopom strukturiranja elektrodnih kompozitov mogoče uporabiti litijeve ionske akumulatorje pri majhnih kakor tudi visokih tokovnih obremenitvah, brez velike izgube v masni in volumski energijski gostoti. Namreč predstavljen princip dodajanja keramičnih dodatkov v samo nekaj utežnih odstotkih močno poveča kapaciteto anataza kot aktivnega materiala v litijevih ionskih akumulatorjih. Delo na tem projektu utrjuje področje strukturiranja elektrodnih materialov, ki ni samo pomembno pri litijevih ionskih akumulatorjih, temveč tudi v drugih sistemih, kjer je potrebno zagotoviti enakomerno prisotnost vseh faz v dvo-faznem (npr. solarni sistemi) ali celo tri-faznem sistemu (npr. gorivne celice).
Rezultat dela na tem projektu so odmevni članki na svetovnem nivoju v najvišje rangiranih revijah na področju materialov (članek v Nature Materials in članek v Advanced Materials) in tudi na področju elektrokemije (Electrochemistry Communications). Kvaliteta revij v katerih so bili sprejeti naši članki, kakor tudi opaženost teh objav, ki je merljiva s citati, pričajo o pomembnih dosežkih na področju znanosti. Takšne publikacije nedvoumno promovirajo našo projektno in tudi raziskovalno skupino med najboljše skupine na svetovnem nivoju, kar je obenem tudi promocija za slovensko znanost in tudi promocija za državo med potencialnimi industrijskimi partnerji na tem področju. Rezultati tega projekta so bili prikazani poleg številnih predavanj tudi v obliki dveh vabljenih predavanj na skoraj vseh pomembnejših konferencah posvečenim materialom in litijevim ionskim akumulatorjem.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je povezan z raziskovalnimi aktivnostmi shranjevanja energije iz obnovljivih virov, ki so tudi primarnega na svetovnem nivoju. To potrjuje tudi dejstvo, da številni avtomobilski proizvajalci prihajajo na trg z električnimi ali hibridnimi vozili. Trenutni rezultati tega projekta promovirajo našo projektno in tudi raziskovalno skupino med najboljše skupine na svetovnem nivoju, kar je obenem tudi promocija za slovensko znanost in tudi promocija za državo med potencialnimi industrijskimi partnerji na tem področju. Rezultati tega projekta so bili prikazani poleg številnih predavanj tudi v obliki dveh vabljenih predavanj na skoraj vseh pomembnejših konferencah posvečenim materialom in litijevim ionskim akumulatorjem.
V celotnem obdobju trajanja projekta sta na projektu delala dva Erasmus Mundus master študenta (eden iz Francije in eden iz Kameruna), ki sta opravila raziskovalno delo v okviru magistrske naloge na drugi bolonjski stopnji in sta uspešno opravila zagovar septembra 2009 v Amiens (Francija). Študij nadaljujeta v evropskih laboratorijih, ki so združeni v virtualnem laboratoriju za litijeve ionske akumulatorje (ALISTORE-ERI). Naše aktivnosti na svetovnem nivoju, kakor tudi aktivnosti naših bivših študentov, ki sedaj delajo v različnih laboratorijih po Evropi, omogočajo dobro razpoznavnost naše skupine na svetovnem nivoju, kakor tudi pri evropskih industrijskih partnerjih na področju našega dela. Obenem je tudi to promocija za Slovenijo. V celotnem obdobju trajanja projekta sta bila aktivno udeležena pri izvajanju projekta dva mlada raziskovalca financiran iz strani ARRS. Prvi, ki je bolj natančno preučeval mehnizme kintike in termodinamske učinkovitosti litijevih ionskih akumulatorjev je uspešno zagovarjal doktorsko disertacijo novembra 2010. Drugi mladi raziskovalec je posvetil svoje raziskave pripravi in celotni karakterizaciji elektrodnih kompozitov in ima zagovor konec aprila 2011. Slednji je bil tudi med doktorskim študijem dodatno zaposlen pri sofinancerju tega projekta in bo po končanem študiju delno zaposlil pri njih (kot raziskovalec v podjetju Iskra TELA).
Neglede na dejstvo, da naš partner na projektu, Iskra TELA, PE baterije ZMAJ, in tudi sofinancer ni proizvajalec litijevih ionskih akumulatorjev, ima delo na projektu direkten in posreden vpliv na njihovo delo in poslovne odločitve. Z izvajanjem tega projekta imajo direkten vpogled v nove tehnologije in zadnje dosežke na tem področju. Obenem lahko uporabljajo znanje pridobljeno na tem projektu za izboljšave njihovih proizvodov, kar direktno vpliva na njihovo poslovno in ekonomsko stabilnost. Navsezadnje pa je vodja projekta tudi udeležen pri razvoju hibridnega solarno-akumulatorskega vira električne energije, ki bo zagostavljal neodvisnost pašnih pastirjev in obcestne signalizacije. Omenjeni hibridni izdelek temelji na litijevem ionskem akumulatorju in solarnem panelu.
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
