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.

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.

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.