„Właściwości elektrochemiczne modyfikowanego tlenku litowo

Streszczenie pracy doktorskiej
„Właściwości elektrochemiczne modyfikowanego tlenku
litowo-manganowego o strukturze spinelu jako nowego materiału katodowego
w ogniwach litowo-jonowych”
autor: mgr Bartosz Hamankiewicz
promotor: prof. dr hab. Andrzej Czerwiński
Zgłoszona do konkursu praca doktorska zawiera opis doświadczalnych eksperymentów
związanych z analizą materiałów elektrodowych ogniw litowo-jonowych.
Rozwój technologii elektrochemicznych ogniw litowo-jonowych jest jednym z
kluczowych problemów, wymagających intensywnych badań. Ciągły wzrost użytkowników
urządzeń mobilnych, pojazdów o napędzie elektrycznym i hybrydowym oraz magazynowanie
energii odnawialnej to tylko niektóre problemy dla których rozwiązaniem jest rozwój ogniw
elektrochemicznych. Ogniwa litowo-jonowe przewyższają inne typy układów
elektrochemicznych pod względem pojemności właściwej, dostępnej mocy, odporności na
kolejne cykle ładowania-rozładowania i z tego względu są idealnymi systemami do
zastosowania w urządzeniach mobilnych oraz pojazdach elektrycznych. Niestety, przy obecnej
technologii wytwarzania komercyjnych baterii litowo-jonowych ciągle są to urządzenia drogie
i przy nieprawidłowym użytkowaniu mogące spowodować zagrożenie dla zdrowia.
Zaprezentowana rozprawa doktorska podejmuje ważne zagadnienia dotyczące
rozwoju bezpiecznych akumulatorów litowych. Uważna obserwacja zjawisk i procesów
zachodzących podczas utleniania i redukcji nowych materiałów elektrodowych stanowi
fundament dysertacji w jej części poświęconej badaniom podstawowym. W swojej pracy
Autor podjął się analizy szeregu właściwości fizykochemicznych nowych materiałów
elektrodowych wykorzystując wyniki takich technik analitycznych jak: proszkowa
dyfraktometria rentgenowska (XRD), mikroskopia elektronowa (SEM,TEM), spektroskopia
fotoelektronów (XPS), analiza adsorpcji gazu obojętnego (BET) i spektroskopia ramanowska.
Najważniejsza część rozprawy dotyczy jednak wyznaczenia właściwości elektrochemicznych
badanych związków i powiązania ich z cechami strukturalno-morfologicznymi analizowanych
materiałów. Umożliwiło to Autorowi określenie katalogu pożądanych właściwości, którymi
powinien charakteryzować się idealny materiał elektrodowy ogniw litowo-jonowych.
Wyznaczone w ten sposób parametry podstawowe nowych związków czynnych
ładowalnych baterii litowych pozwoliły na selekcję materiałów do konstrukcji ogniwa litowojonowego nowego typu. Cechą wyróżniającą opracowanego akumulatora jest jego zwiększone
bezpieczeństwo pracy oraz magazynowania dzięki zastosowaniu nowatorskich rozwiązań
dotyczących poszczególnych jego elementów: materiału anody składającego się z tlenku
litowo-tytanowego (LTO), materiału elektrolitu oraz tlenku litowo-manganowego (LMO) jako
katody. Zwiększone bezpieczeństwo eksploatacji wynika z zastosowania tlenku litowo-
tytanowego (LTO) w miejsce powszechnie stosowanego litu interkalowanego w graficie.
Potencjał interkalacji i deinterkalacji elektrody LTO (około 1,5 V względem elektrody litowej)
znajduje się znacznie powyżej wartości odpowiadającej elektrodzie grafitowej. W tych
warunkach lit występuje w materiale LTO w postaci jonowej i jego aktywność chemiczna jest
znacznie niższa niż w przypadku litu występującego w elektrodzie węglowej. Dzięki temu
akumulatory wykorzystujące tlenek litowo-tytanowy można przechowywać w stanie
naładowanym bez zagrożenia zajścia niekontrolowanej reakcji utlenienia materiału anody
(elektrody ujemnej). Do takiej reakcji może dojść gdy materiałem tej elektrody jest
interkalowany litem grafit, tj. układ, który ma wysoką podatność na reakcje utlenienia, a co za
tym idzie zagrożenie zapłonem.
Dodatkowo czynnikiem zwiększającym bezpieczeństwo eksploatacji baterii jest
oryginalny kompozytowy elektrolit polimerowy oparty na soli litowej, matrycy polimerowej
oraz dodatkach zwiększających parametry ogniwa. Dzięki ograniczeniu udziału lotnych,
palnych rozpuszczalników małocząsteczkowych wyeliminowane jest zagrożenie związane z
zapłonem akumulatora w sytuacjach awaryjnych, w których może dojść do podniesienia
temperatury, wzrostu ciśnienia i rozszczelnienia obudowy.
Ponadto cechą wyróżniającą zaprojektowany układ jest możliwość uzyskiwania dużych
gęstości energii (ok. 90 Wh/kg) przy przepływie prądu o dużej gęstości (10 C). Skonstruowaną
w układzie monetowym baterię można naładować/rozładować w czasie krótszym niż 6 minut,
co przekłada się na wyróżniającą się wśród akumulatorów litowych wysoką wartość mocy
właściwej niemal 1500 W/kg.
Rozwiązania zaprezentowane w rozprawie są przedmiotem dwóch krajowych zgłoszeń
patentowych oraz zostały opublikowane w siedmiu pracach przyjętych do druku w
czasopismach naukowych o zasięgu międzynarodowym. Autor zaprezentował wyniki swoich
prac na kilkudziesięciu krajowych i międzynarodowych konferencjach naukowych, a
wdrożeniem uzyskanych wyników zainteresowanych jest kilka krajowych spółek, m in.
YELLOW ENERGY SUN Sp. z o.o.