Pawilon C-5, lokal 401
Silnie rosnąca z każdym rokiem liczba publikacji naukowych, konferencji oraz światowych nakładów finansowych na prace badawcze nad ogniwami litowymi wskazuje na doniosłe praktyczne i poznawcze znaczenie tych badań. Ogniwa litowe są najszerzej badane w świecie i choć technologicznie najbardziej rozwinięte to wciąż pozostają w fazie gwałtownego rozwoju. W Laboratorium Ogniw Litowych będą prowadzone prace dotyczące budowy i testowania nowej generacji odwracalnych ogniw litowych służących magazynowaniu energii.
W Laboratorium Ogniw Litowych zgromadzone będzie oprzyrządowanie służące do budowy i badania charakterystyk ogniw litowych. Do wytwarzania elementów składowych ogniw litowych oraz ich montażu posłuży układ komór rękawicowych umożliwiających pracę w atmosferze gazu ochronnego (argonu) o bardzo niskiej zawartości pary wodnej i tlenu (poniżej 1 ppm) wraz ze specjalistycznym wyposażeniem obejmującym precyzyjne wagi, mieszadła, płyty grzejne, wycinarkę folii litowej oraz wycinarkę folii elektrodowej, urządzenia do zamykania ogniw w standardowych obudowach cylindrycznych oraz urządzenia do otwierania tych obudów po zakończonych testach. Elektrody dla ogniw litowych w formie warstwowej będą formowane przy użyciu urządzeń typu doctor blade (odlewanie folii z listwą zgarniającą) oraz spin coater (powlekanie obrotowe).
Wytworzone ogniwa litowe będą obiektem pomiarów elektrochemicznych przy wykorzystaniu sterowanego komputerowo wielokanałowego analizatora elektrochemicznego współpracującego z analizatorem odpowiedzi częstotliwościowej. Wśród mierzonych wielkości znajdą się: napięcie równowagowe ogniw dla różnych stanów naładowania, pojemność ładowania i rozładowania w kolejnych cyklach pracy, odwracalność, położenie potencjału redoks procesów anodowych i katodowych, rozkład polaryzacji pracującego ogniwa na składowe przy zastosowaniu techniki spektroskopii impedancyjnej.
Pomiary charakterystyk działających ogniw będą ostatecznym sprawdzianem poprawności doboru opracowywanych materiałów i pozwolą na konfrontację podstawowych właściwości fizykochemicznych materiałów z efektywnością rzeczywistego pracującego układu elektrochemicznego.
Projekty badawcze planowane do realizacji
-
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.
-
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.