Pawilon C-5, lokal 404
W laboratorium modelowania funkcjonalnych właściwości materiałów prowadzona będzie charakterystyka podstawowych właściwości fizykochemicznych materiałów dla magazynowania i konwersji energii, w tym energii odnawialnej. W szczególności pomiary będą dotyczyły cech istotnych z punktu widzenia konstrukcji ogniw litowych i wysokotemperaturowych ogniw paliwowych: struktura (spektrometr FT-IR DRIFT, spektrometr Ramana z funkcją mikroobrazowania), mikrostruktura i morfologia powierzchni (pomiar izoterm adsorpcji, analiza rozkładu wielkości ziaren proszków), rozszerzalność termiczna materiałów i spiekalność proszków (dylatometr), przewodnictwo elektryczne i siła termoelektryczna materiałów w funkcji temperatury i składu atmosfery, niestechiometria tlenowa oraz mechanizm reakcji chemicznych, stabilność termiczna materiałów (analizator termograwimetryczny wraz z analizą składu uwalnianych gazów). Uzupełnieniem wyników pomiarów będą obliczenia kwantowo-mechaniczne ab initio pozwalające na weryfikację modeli teoretycznych wyjaśniających obserwowane właściwości materiałów (wielordzeniowy serwer dedykowany do obliczeń kwantowo-mechanicznych). Uzyskane wyniki, oprócz bezpośredniej oceny przydatności badanych materiałów do konstrukcji ogniw litowych, bądź paliwowych, pozwolą na budowanie i weryfikację modeli teoretycznych opisujących materiały, w szczególności strukturę defektów punktowych, strukturę elektronową, mechanizmy transportu ładunku, przejścia izolator-metal, właściwości termoelektryczne i inne. Odkrycie tendencji zmian podstawowych właściwości fizykochemicznych w wielu przypadkach może być kluczem do opracowania nowych, innowacyjnych materiałów o ulepszonych parametrach użytkowych.
Projekty badawcze planowane do realizacji
1. Nowe funkcjonalne materiały elektrodowe dla ogniw Li-ion
Ze względu na wysoką gęstość energii ogniwa litowe są dziś szeroko wykorzystywane do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych, a w przyszłości, wraz ze wzrostem dostępnych prądów i mocy, planuje się zastosowanie tego typu ogniw w motoryzacji oraz do magazynowania energii ze źródeł odnawialnych. Planowany projekt badawczy dotyczy materiałów elektrodowych dla ogniw litowych Li-ion batteries, a w szczególności mechanizmów procesu elektrochemicznej interkalacji jonów alkalicznych (Li, Na) do związków metali przejściowych MaXb (M = metal przejściowy, X = O, S, Se) o strukturze warstwowej, bądź szkieletowej, stanowiących materiały elektrodowe dla nowej generacji akumulatorów litowych. Opracowanie nowych materiałów elektrodowych dla ogniw litowych wymaga wykorzystania wysokospecjalistycznej aparatury naukowo-badawczej zgromadzonej w planowanym Centrum Energetyki. W ramach projektu badawczego przewiduje się syntezę materiałów katodowych, charakterystykę morfologii materiałów (rozkład wielkości i kształt cząstek, powierzchnia właściwa), badania związku pomiędzy strukturą atomową tych materiałów (technika dyfrakcji rentgenowskiej i elektronowej, spektroskopia w podczerwieni i Ramana) a właściwościami transportowymi (przewodnictwo elektronowe i jonowe, współczynnik dyfuzji chemicznej jonów litu) oraz charakterystyką ogniw elektrochemicznych budowanych w oparciu o otrzymane materiały.
2. Nowe elektrolity litowe dla "all solid state" Li-ion batteries oraz ogniw typu lit-powietrze
Jednym z nierozwiązanych problemów w technologii ogniw litowych (Li-ion batteries) jest niezwykle istotna kwestia bezpieczeństwa użytkowania. Staje się ono szczególnie ważne w przypadku akumulatorów o dużej pojemności i mocy dla motoryzacji i energetyki odnawialnej. Obecnie stosowane materiały katodowe na bazie LiCoO2 oraz ciekłe elektrolity zawierajcie sole litu (np. LiPF6 lub LiClO4) rozpuszczone w bezwodnych rozpuszczalnikach organicznych (np. węglan dimetylu, węglan etylu i inne) są niezwykle reaktywne i w określonych warunkach może dojść pomiędzy nimi do gwałtownej reakcji. Kolejnym wyzwaniem stojącym przed konstruktorami i projektantami ogniw litowych jest wrażliwość materiałów elektrodowych i ciekłego elektrolitu na działanie tlenu i pary wodnej, a także wysychanie ciekłego elektrolitu. Proponowanym rozwiązaniem tych trudności jest konstrukcja ogniwa litowego z tlenkowym elektrolitem stałym. W ostatnich latach odkryto kilka grup materiałów o wysokim przewodnictwie jonów litu już w temperaturze pokojowej. Należą do nich materiały o strukturze perowskitu z grupy La2/3-xLi3xTiO3, granatu (Li5La3(Ta,Nb)2O12), amorficzne tlenoazotki litu i fosforu (LiPON) oraz materiały z grupy Li10GeP2S12 (wykazujące najwyższe znane przewodnictwo jonów litu w temperaturze pokojowej). Prace w planowanym projekcie badawczym będą skupione wokół określenia mechanizmu procesu transportu jonów litu w elektrolicie stałym, określenia wzajemnego wpływu struktury elektronowej składników ogniwa na stabilność ogniwa, a także zbadanie mechanizmu przeniesienia ładunku pomiędzy elektrodami a elektrolitem w reakcjach elektrodowych. Odkrycie podstaw fizykochemicznych stojących za tymi procesami będzie stanowiło fundament dla projektowania udoskonalonych materiałów dla ogniw stałych ogniw Li-ion bez elektrolitu ciekłego. Ogniwa Li-ion ze stałym elektrolitem tlenkowym znajdują się obecne na wczesnym etapie badań i do tej pory nie poznano mechanizmów odpowiedzialnych za kluczowe procesy zachodzące w tego typu ogniwach. Ponadto prace badawcze będą obejmowały syntezę wybranych materiałów z opisanych grup, charakterystykę ich podstawowych właściwości fizykochemicznych oraz badania elektrochemiczne ogniw tak, aby zrozumieć wzajemne powiązanie pomiędzy składem chemicznym, właściwościami fizykochemicznymi a parametrami użytkowymi ogniw.
3. Nowe materiały dla stałotlenkowych ogniw paliwowych IT-SOFC
Ogniwa paliwowe są urządzeniami pozwalającymi na wytwarzanie energii elektrycznej wykorzystując energię chemiczną zgromadzoną w dostarczanych w sposób ciągły paliwie i utleniaczu. Ze względu na bezpośrednią, elektrochemiczną konwersję substratów w produkty efektywność całego procesu jest znacznie wyższa niż może to mieć miejsce w tradycyjnych silnikach spalinowych lub turbinach. W przypadku stałotlenkowych wysokotemperaturowych ogniw paliwowych (SOFC - Solid Oxide Fuel Cell) dodatkowymi zaletami jest możliwość wykorzystania łatwo dostępnych węglowodorów, niewrażliwość na zatrucie elektrod CO i pewna tolerancja H2S oraz brak konieczności stosowania metali szlachetnych jako elektrod. Zagadnienia materiałowe związane z doborem i opracowaniem nowych materiałów elektrodowych i elektrolitów w tej grupie ogniw odgrywają pierwszorzędną rolę. Projektowanie i modelowanie właściwości użytkowych materiałów tlenkowych dla ogniw paliwowych SOFC wymaga gruntownej znajomości fizykochemii związków niestechiometrycznych, struktury defektów jonowych i elektronowych związanych z odstępstwem od składu stechiometrycznego, właściwości transportowych i mechanizmów transportu ładunku. Zgromadzone w grupie prof. J. Molendy doświadczenia pozwalają na określenie tej niezmiernie ważnej relacji. W ramach projektu badawczego planowane jest opracowanie funkcjonalnych materiałów: katodowego, elektrolitu i anodowego dla stałotlenkowych ogniw paliwowych pracujących w zakresie temperatur 600 - 800°C (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell - IT-SOFC). Planuje się prace badawcze dotyczące elektrolitu stałego przewodzącego jony tlenu lub protony na bazie CeO2 lub tlenków o strukturze perowskitu, materiału katodowego na bazie tlenków La1-xSrxMO3-y (M = Mn, Fe, Co, Ni) o mieszanym przewodnictwie jonowo-elektronowym oraz anod odpornych na zatrucie H2S. Aktywność katalityczna materiału katodowego to zagadnienie niezmiernie ważne, gdyż badania wykazują, iż czynnikiem limitującym efektywność elektrochemiczną ogniw SOFC jest kinetyka reakcji katodowej (redukcja tlenu) i procesy polaryzacyjne na granicy faz elektrolit/materiał katodowy. Katalityczny proces redukcji tlenu na perowskitach jest ciągle poznany w stopniu niedostatecznym. Wiadomo, iż szybkość adsorpcji tlenu na materiale katodowym zależy od występującego w nim stężenia wakancji tlenowych i quasi-swobodnych elektronów. Prowadzone będą prace dotyczące syntezy materiałów w formie litej oraz cienkowarstwowej, badanie właściwości fizykochemicznych oraz pomiary elektrochemiczne pracujących ogniw.
4. Magazynowanie tlenu w tlenkach perowskitowych
Proponowane badania dotyczą projektowania, syntezy, charakteryzacji oraz optymalizacji nowych materiałów należących do grupy tlenków na bazie BaYMn2O5+δ podstawianych metalami w podsieci Ba, Y oraz Mn, dla zastosowania w technologii magazynowania tlenu i katalizy redoks. Celem naukowym projektu jest znalezienie korelacji pomiędzy składem chemicznym, strukturą krystaliczną, zdolnością do magazynowania tlenu i aktywnością katalityczną konwersji CO, CHx i NOx dla materiałów o strukturze perowskitu podwójnego (podstawiane BaYMn2O5+δ). Precyzyjne pomiary właściwości strukturalnych, między innymi techniką in situ XRD w wysokich temperaturach, badania XPS, spektroskopia w podczerwieni, pomiary termograwimetryczne i kalorymetryczne oraz dylatometryczne, a także obserwacje SEM oraz TEM wykonane na zredukowanych i utlenionych materiałach pozwolą na określenie mechanizmu procesu oddawania / przyjmowania tlenu do struktury materiałów magazynujących. Optymalizacja składu chemicznego i mikrostruktury pozwoli na otrzymanie związku charakteryzującego się dobrymi właściwościami katalitycznymi i dużą zdolnością do magazynowania tlenu, czyli cechami odpowiednimi do zastosowań komercyjnych. Proponowany projekt wniesie ważny wkład w zrozumienie mechanizmów reakcji z tlenem materiałów o strukturze perowskitu zarówno od strony poznawczej jak i aplikacyjnej oraz pozwoli na określenie właściwości słabo dotychczas poznanych i przebadanych perowskitów podwójnych z warstwowym uporządkowaniem kationów w podsieci A. Interdyscyplinarne podejście oraz kompleksowe badania podstawowych właściwości strukturalnych, mikrostrukturalnych i katalitycznych pozwolą na osiągnięcie zaplanowanych celów naukowo-badawczych.