Moderni materiāli nātrija jonu baterijām (2019. - 2022.)

Projekta vadītājs Gints Kučinskis

Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001

Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/166

Pētniecības projekta mērķis ir uzlabot nātrija jonu bateriju elektrodu materiālu veiktspēju. Projektā tiek pētīti divi nātrija jonu bateriju katodmateriāli: NaMO2 un Na2MP2O7 (M – Fe, Mn vai abu kombinācija). Tiek sintezēti minētie materiāli, analizēta to struktūra, sastāvs, morfoloģija un elektroķīmiskās īpašības un analizēta reducēta grafēna oksīda nanoslāņu ietekme uz pētīto materiālu elektroķīmiskajām īpašībām. Projektā tiek pētītas NaMO2 un Na2MP2O7 fāžu pārejas līdzsvara un nelīdzsvara apstākļos un elektroķīmiskās īpašības kā funkcija no tām. Projekta rezultātā tiks uzlabota ciklēšanas stabilitāte un jaudas blīvumu pētītajos nātrijā jonu bateriju materiālos.

Projekts tiek īstenots Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā 36 mēnešus no 01.04.2019. līdz 31.03.2022. Projekta kopējās izmaksas ir 133 805.88 EUR.


 

Jaunumi par projektu

01.10.2021.

Iesniegti recenzentu prasītie labojumi rakstam par Na2FeP2O7/C elektroķīmiskajām īpašībām kā funkciju no oglekļa pārklājuma un šūnā izmantotā elektrolīta. Dalība divās zinātniskajās konferencēs - The 14th International Symposium on Systems with Fast Ionic Transport un 72th Meeting of International Society of Electrochemistry.

Veikta Na0.67Ni0.25Mn0.75O2 sintēze ar un bez aizsargpārklājumiem, kas uzlabotu elektrodmateriālu stabilitāti elektroķīmiskajā šūnā. Veikta Na0.67Fe0.43X0.07Mn0.5 (X – Cu, Al, Si, Mg) sintēze, struktūras un elektroķīmisko īpašību analīze labāko dopantu skrīningam. Uzsākti Na2FeP2O7/C XRD mērījumi kā funkcija no uzlādes/izlādes stāvokļa.


01.07.2021.

Iesniegti divi zinātniskie raksti: (1) par Na2FeP2O7/C elektroķīmiskajām īpašībām kā funkciju no oglekļa pārklājuma un šūnā izmantotā elektrolīta un (2) Na0.67MnO2 elektroķīmiskajām īpašībām kā funkciju no izmantotās saistvielas. Turpināti precizējoši elektroķīmiskie un struktūras mērījumi abiem materiāliem, kā arī padziļināti elektroķīmiskās impedances spektroskopijas mērījumi Na2FeP2O7. Uzsākta mobilitāte Bādenes-Virtenbergas centrā saules un ūdeņraža enerģijas pētījumiem.


08.04.2021.

Optimizēta Na2FeP2O7/C sintēze, iegūstot 93 mAh/g lādiņietilpību (96% no teorētiskās vērtības). Veikta padziļināta Na2FeP2O7/C/rGO kompozītu analīze, analizējot elektroķīmiskās īpašības kā funkciju no oglekļa pārklājuma un reducētā grafēna oksīda daudzuma. Elektroķīmiskie mērījumi tika veikti, kā elektrolītu izmantojot 1 M NaClO4 sāli propilēna karbonātā ar un bez 5 wt.% fluoretilēna karbonāta (FEC) elektrolīta piedevas elektroda - elektrolīta robežvirsmas stabilizēšanai. FEC izmantošana uzlabo ātrumspēju un bateriju pusšūnas (paraugs vs. metālisks Na) mūža ilgumu. Par šo tēmu sagatavots publikācijas manuskripts.


07.01.2021.

Elektrodu uzlādei sagatavota elektroķīmiskā šūna ar šķidru elektrolītu bez separatora. Tā tiks lietota ex-situ elektrodu struktūras un/vai sastāva mērījumiem. Analizētas PVDF un alginātu saistvielas kā alternatīvs ceļš NaxMnO2 elektrodu ātrumspējas un mūža ilguma uzlabošanai. Konstatēts, ka elektroda pastas gatavošana ar Na algināta saistvielu nav efektīva, jo Na2/3MnO2 ūdens iedarbībā maina savu struktūru – starp pārejas metālu – skābekļa slāņiem interkalē protoni un ūdens. Apstiprināts, ka PVDF saistviela kombinācijā ar FEC elektrolīta piedevu uzlabo mūža ilgumu.


19.10.2020.

NaMO2 un Na2MP2O7 (M – Fe, Mn) nātrija jonu bateriju katodmateriāli ir sintezēti un analizēti kā plānots. Pētīti arī to nanokompozīti ar reducētu grafēna oksīdu un citām oglekļa nanostruktūrām. Sintezēts Na2FeP2O7 un tā kompozīts ar oglekļa pārklājumu un reducētu grafēna oksīdu (rGO). Secināts, ka oglekļa pārklājums un rGO uzlabo materiāla ātrumspēju. Oglekļa pārklājums pētīts arī kā ceļš, lai uzlabotu α-NaFeO2 ātrumspēju un ciklējamību. Noskaidrots, ka tas diemžēl neuzlabo ne ātrumspēju, ne ciklējamību un tālāka materiālu kompozītu sagatavošana ir sarežģīta, jo tas nav stabils ūdenī. Vēl ticis noskaidrots, ka Na0.67MnO2 ciklējamība un ātrumspēja būtiskāk tiek uzlabota nevis, pievienojot elektrovadošas piedevas (oglekļa nanocaurulītes), bet gan aizstājot polivinilidēna fluorīda (PVDF) saistvielu ar Na alginātu.

Kā plānots, pielietošanai projekta vajadzībām pielāgota in-situ elektroķīmiskā šūna. Ticis izveidots šūnas turētājs un veikti sākotnējie mērījumi, lai pārbaudītu šūnas funkcionalitāti. Tā kā eksperimentālā iekārta tikusi izveidota, kā nākošais solis tiek plānoti in-situ rentgendifrakcijas mērījumi ar vismaz diviem no sintezētajiem materiāliem – visticamāk Na2FeP2O7 un Na0.67MnO2.


26.06.2020.

Turpināta Na2FeP2O7 un NaFeO2 sintēzes optimizācija – sintēze, struktūras analīze, elektroķīmiskie mērījumi. In-situ rentgena difrakcijas šūnas turētājs gatavs, elektroķīmiskā šūna tiek adaptēta darbam izvēlētajā rentgena difrakcijas iekārtā, tuvākajā laikā tiks veikti pirmie mērījumi. Aizstāvēts bakalaura darbs par Na2FeP2O7 un Na2FeP2O7/C/reducēts grafēna oksīds kompozītmateriāla sintēzi un fizikāli ķīmisko īpašību analīzi.


03.04.2020.

Tika turpināta NaFeO2 un Na2FeP2O7 nātrija jonu bateriju katodmateriālu sintēze, veikta tās optimizācija. Raksturotas Na2FeP2O7 elektroķīmiskās īpašības kā funkcija no sintēzei pievienotā oglekļa daudzuma. Na2FeP2O7/C kompozītmateriāla izlādes lādiņietilpība ir līdz 82 mAh/g jeb 82 % no teorētiskās lādiņietilpības, līdz ar to mērķis sasniegt ≥80 % no teorētiskās lādiņietilpības ir izpildīts. Oglekļa pārklājums atļauj izvairīties no piemaisījumiem un ļauj sasniegt arī uzlabotu ātrumspēju (rate capability) – nomērītā izlādes lādiņietilpība ir 70 mAh/g pie 1 C strāvas (1 C = 97 mA/g).


10.01.2020

Elektroķīmiski raksturoti NaFeO2 un Na2FeP2O7 nātrija jonu bateriju katodmateriāli. Sintezēts α-NaFeO2, kas uzrāda elektroķīmisku aktivitāti. Na2FeP2O7 rentgena difrakcijas analīze neuzrāda piemaisījumus, un sintēzei pievienotās glikozes dēļ lādiņietilpība paaugstinājusies līdz 73 % no teorētiskās (71 mAh/g no 97 mAh/g), bez glikozes – 53 %. Tiek plānots iegūt lādiņietilpību virs 80 % no teorētiskās. In-situ rentgena difrakcijas šūnas turētājs 50 % gatavs, turpina noritēt sagatavošanās darbi in-situ rentgena difrakcijas mērījumiem..


08.10.2019.

Elektroķīmiski raksturoti NaFeO2 un Na2FeP2O7 nātrija jonu bateriju katodmateriāli. Atklāts, ka sintezētais β-NaFeO2 nav elektroķīmiski aktīvs, tāpēc sākts darbs pie α-NaFeO2 sintēzes. Sintezētais Na2FeP2O7 ir bez piemaisījumiem un uzrāda elektroķīmisku aktivitāti. Līdz šim nomērīta lādiņietilpība 53 % apmērā no teorētiskās (51 mAh/g). Izvirzīta hipotēze, ka augstāka lādiņietilpība nav iespējama lielo graudu izmēru un Na2FeP2O7 piemītošās zemās elektrovadītspējas dēļ. Lai novērstu abus, veikta sintēze, kā piedevu pievienojot glikozi. Tai sadaloties C, CO2 un H2O, iegūtajā Na2FeP2O7 materiālā palielinās elektrovadošas ogles daudzums un klāt esošai oglei vajadzētu novērst arī pārmērīgi lielu graudu veidošanos.


05.08.2019.

Veikta iepazīšanās ar literatūru, NaMO2 un Na2MP2O7 (M – Fe, Mn vai Fe0.5Mn0.5) sintēzei piemērotas sistēmas izveide, uzlabojot esošo gāzu pievades sistēmu. Veikti pirmie soļi, lai saliktu elektroķīmisko šūnu ar metālisku nātriju, sagatavots 1 M NaClO4 elektrolīts propilēnkarbonātā. Sākts darbs pie in-situ rentgena difrakcijas analīzes šūnas turētāja.

Sintezēti Na2FeP2O7 un NaFeO2 nātrija jonu bateriju katodmateriālu sintēze. To tīrība apstiprināta ar rentgenstaru difrakcijas analīzes palīdzību. Izmantojot skenējošo elektronu mikroskopiju, noteikti graudu izmēri – abiem materiāliem tie ir 1 – 5 µm robežās. Sperti pirmie soļi analoģisku materiālu sintēzei, kur Fe aizstāts ar Mn.