Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Centrum SOLARIS

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Wirtualny spacer po Centrum SOLARIS

Grafika symbolizująca link do wirtualnego spaceru

Nowa generacja baterii litowo-jonowych bardziej przyjaznych dla środowiska

Nowa generacja baterii litowo-jonowych bardziej przyjaznych dla środowiska

Na linii badawczej ASTRA swoje badania prowadzi Dóra Zalka, pochodząca z Węgier, doktorantka 4 roku fizyki na Uniwersytecie Pavla Jozefa Šafárika w Koszycach oraz w Instytucie Badań Materiałowych Słowackiej Akademii Nauk. Do Centrum SOLARIS przyjechała w ramach Programu Grantów Wyszehradzkich Międzynarodowego Funduszu Wyszehradzkiego. W swoich badaniach koncentruje się na wytworzeniu nowej generacji baterii litowo-jonowych, które będą wykonane z bardziej przyjaznych dla środowiska materiałów. Dodatkowo będą miały cztero-pięciokrotnie większą pojemność i dłuższą żywotność od tych obecnie dostępnych na rynku.

- Czy możesz powiedzieć nam na czym polegają Twoje badania?

Moje badania koncentrują się na wytworzeniu nowej generacji baterii litowo-jonowych, które mają kluczowe znaczenie dla naszej przyszłości. Potrzebujemy bardziej wydajnych, wytrzymałych i tańszych baterii, zarówno ze względu na rosnącą liczbę pojazdów elektrycznych oraz dla wsparcia rozwoju i zastosowania odnawialnych źródeł energii. W tworzeniu nowej generacji zasobników energii oprócz litu wykorzystuję siarkę. Siarka występuje w dużych ilościach, jest przyjazna dla środowiska i tańsza niż obecnie stosowane metale ziem rzadkich. Pomysł na akumulator Li-S nie jest oczywiście nowy. Jednak stworzenie  dobrze działającego systemu jest w dalszym ciągu sporym wyzwaniem ze względu na dużą rozszerzalność objętościową elektrod podczas pracy baterii. Innym ważnym problemem jest rozpuszczanie pośrednich form polisiarczku litu w elektrolicie, który prowadzi do nieodwracalnej utraty siarki, co z kolei skutkuje szybkim zanikiem pojemności. Baterie wciąż nie są gotowe do produkcji na skalę przemysłową. Obecnie, projektuję elektrody z materiałów pochodzących z biomasy, które są ekstrahowane z wodorostów, glonów, roślin lub białek zwierzęcych. Zawiesina materiału  z którego robię elektrodę zawiera tylko polisacharydy oraz wodę. Obecnie na poziomie przemysłowym do wytworzenia elektrod firmy stosują tak zwany materiał wiążący z polifluorku winylu (PVDF), który można rozpuścić tylko w bardzo szkodliwym i toksycznym rozpuszczalniku N-metylopirolidon (NMP). Zastosowanie spoiwa pochodzącego z biomasy wyeliminuje zagrożenie dla środowiska i naszego zdrowia. Z przeprowadzonych przeze mnie badań elektrochemicznych wynika, że można osiągnąć pojemność 1200-1300 mAh/g (dla ogniwa guzikowego) i pojemność ta utrzymuje się na tym poziomie w ponad 80 procentach nawet po 250 cyklach ładowania-rozładowania. Analizując obecnie dostępne na rynku chemiczne składy akumulatorów litowo-jonowych nie znajdziemy takiej  wydajność, zwykle jest ona niższa o około 140 mAh/g. Dodatkową zaletą używanych przeze mnie materiałów jest fakt że mogą wspomagać reakcję elektrochemiczną oraz wychwytywać szkodliwy produkt uboczny poprzez tworzenie wiązań chemicznych z polisiarczkami.  Oczywiście to są podstawowe badania, ale byłby to duży krok naprzód, gdyby takie modyfikacje udało się wprowadzić do procesu produkcyjnego baterii.

- Co chciałabyś osiągnąć dzięki swoim badaniom?

Mam nadzieję, że moje badania pomogą w przyszłości projektować lepsze baterie. Oczywiście będzie to również wymagało lepszego zrozumienia problemu  na poziomie fizycznym i chemicznym oraz zgłębienia wiedzy w jaki sposób różne komponenty wpływają na wydajność baterii. Dlatego też badam baterię nie tylko z elektrochemicznego punktu widzenia, ale także np. za pomocą absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej (XAF). Dzięki tym badaniom możemy dowiedzieć się jakie materiały powstają w baterii podczas pracy oraz jakie procesy chemiczne zachodzą i jak reagują ze sobą elementy baterii. Dla moich badań ważne jest również ilościowe oznaczanie składników polisiarczków, siarki i siarczanów. Dzięki tej wiedzy będziemy mogli świadomie projektować i dobierać elementy katodowe w oparciu o wyniki elektrochemiczne i XAS.

- W jaki sposób linia badawcza ASTRA pomaga w prowadzonych badaniach? 

Projektując moje eksperymenty, bardzo ważne było znalezienie linii badawczej, na której można wykonywać pomiary absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS) na krawędzi absorpcji K siarki i gdzie nie balibyśmy się podejmować  wyzwań, w których być może nawet jesteśmy pionierami. Linia ASTRA została specjalnie zaprojektowana do pomiarów w pośrednim zakresie energetycznym promieniowania rentgenowskiego (ang. tender energy range), tj. na krawędziach absorpcji K pierwiastków, takich jak P, S, Si, Al i Mg. Dzięki starannemu planowaniu i profesjonalnemu wsparciu, które uzyskałem podczas mojej pracy na linii ASTRA, mogłam wykonać pomiary jakich najprawdopodobniej jeszcze nikt nie wykonał na świecie.
Osiągnięciem jest  zmierzenie absorpcji dla próbek nie tylko w trybie fluorescencyjnym, gdzie jest uzyskiwana informacja z ograniczonej grubości próbki oraz sygnał jest zaburzony przez efekt samoabsorpcji), ale także w trybie transmisyjnym przy którym promieniowanie rentgenowskie przechodzi przez całą objętość próbki i nie ma efektu samoabsorpcji. Przeprowadzenie pomiaru XAS na krawędzi absorpcji K siarki  w trybie transmisyjnym na pracujących (tj. podczas ładowania i rozładowywania) bateriach Li-S jest dużym wyzwaniem ze względu na  niską transmisję fotonów promieniowania rentgenowskiego z przejściowego zakresu energetycznego. Nasz pomiar nie byłby możliwy bez odpowiednio skonstruowanej  specjalnej komórki operando i uchwytom dla niej, które zostały zaprojektowane w Centrum SOLARIS w ramach naszej wspólnej pracy.

 

Najważniejsze ograniczenia systemu baterii Li-S

 

Rysunek 1. Najważniejsze ograniczenia systemu baterii Li-S
 

 

Rysunek 2. 1) Komórka in-operando przeznaczona do pomiarów transmisyjnych, 2) Uchwyt na próbki zaprojektowany w Centrum SOLARIS, 3) Komórka in-operando montowana do uchwytu na próbki – papier światłoczuły pokazuje położenie wiązki, 4) próbki kalibracyjne: siarka, polisiarczki litu, tło elektrolitu, 5) porównanie sygnału fluorescencyjnego i transmisyjnego, 6) widma XANES mierzone in-operando w transmisji, 7) widma XANES mierzone in-operando we fluorescencji w 2D.

Rysunek 2. 1) Komórka in-operando przeznaczona do pomiarów transmisyjnych, 2) Uchwyt na próbki zaprojektowany w Centrum SOLARIS, 3) Komórka in-operando montowana do uchwytu na próbki – papier światłoczuły pokazuje położenie wiązki, 4) próbki kalibracyjne: siarka, polisiarczki litu, tło elektrolitu, 5) porównanie sygnału fluorescencyjnego i transmisyjnego, 6) widma XANES mierzone in-operando w transmisji, 7) widma XANES mierzone in-operando we fluorescencji w 2D.

 


Szczególne podziękowania kieruję do dr Alexeya Maximenko, który przez cały czas wspierał mnie swoją fachową radą oraz mgr inż. Marcina Brzyskiego, który zaprojektował specjalny uchwyt na próbki do komórek in-operando. Jestem wdzięczna również dr Alenowi Vizintinowi (z Narodowego Instytutu Chemii, Lublana, Słowenia) oraz dr Pálowi Jóváriemu (z Centrum Badań Fizycznych Wignera, Instytutu Badawczego Fizyki Ciała Stałego i Optyki, Budapeszt, Węgry) za współpracę, cenne rady i pomoc w ramach tego projektu.

 

Rozbudowa linii badawczej ASTRA w NCPS SOLARIS do pomiarów przy niskich energiach fotonów otrzymała dofinansowanie w ramach Unijnego programu Horyzont 2020 (952148-Sylinda). Uczestnicy dziękują Konsorcjum CERIC-ERIC za dostęp do obiektów eksperymentalnych i wsparcie finansowe, Słowackiej Agencji Badań i Rozwoju w ramach umowy nr APVV-20-0138 oraz Funduszowi Wyszehradzkiemu w ramach kontraktu nr 62320092.

Polecamy również
Centrum SOLARIS organizatorem Crosscarpatian Synchrotron School (CSS2024)

Centrum SOLARIS organizatorem Crosscarpatian Synchrotron School (CSS2024)

Sezonowe zmiany zanieczyszczeń powietrza w Krakowie w badaniach synchrotronowych

Sezonowe zmiany zanieczyszczeń powietrza w Krakowie w badaniach synchrotronowych

20. rocznica powstania konsorcjum Lightsources.org

20. rocznica powstania konsorcjum Lightsources.org

Festiwal Nauki i Sztuki w Krakowie 2024

Festiwal Nauki i Sztuki w Krakowie 2024