Laboratorium Ogniw Litowych LIT-LAB

Laboratorium Ogniw Litowych LIT-LAB
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
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,
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.
Użytkownicy laboratorium
prof. dr hab. Janina Molenda
tel. 12 617 25-22
tel. 12 617 20-26
tel. 785-064-707
e-mail: [email protected]
Miejsce pracy:
WEiP, Katedra Energetyki Wodorowej, H-B3-B4, II, 243