Prace nad zwiększeniem wydajności pracy baterii opartych na dwuwartościowych metalach

Unia Europejska planuje ograniczyć o 50% emisję gazów cieplarnianych do 2030 roku, a do roku 2050 być całkowicie neutralna klimatycznie. Aby było to możliwe, niezbędne jest opracowanie wydajnych systemów magazynowania energii uzyskiwanej z odnawialnych źródeł.

Obecnie baterie Li-Ion są najszerzej wykorzystywane jako magazyny energii. Jednak wiele materiałów używanych do ich produkcji (Li, Co, Ni, grafit) jest obecnie uważanych za krytyczne, a ich ceny stale rosną. Z tego powodu mgr inż. Natalia Izdebska z Wydziału Chemicznego PW w swojej pracy doktorskiej skupiła się na bateriach opartych na materiałach szeroko dostępnych, tanich i bezpiecznych, jakimi są Mg i Ca.

Zarówno magnez, jak i wapń znajdują się wśród 10 najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej. Te metale w reakcji elektrochemicznej wymieniają dwa elektrony w przeliczeniu na jeden atom, co prowadzi do wysokiej teoretycznej pojemności grawimetrycznej i wolumetrycznej. Co najważniejsze, metale dwuwartościowe są, ze względu na niższe bariery samodyfuzji, mniej podatne na tworzenie się dendrytów niż Li. To sprawia, że zastosowanie anod z metali dwuwartościowych w ogniwach jest bardziej bezpieczne, niż w przypadku litu. Magnez jednak łatwo pokrywa się izolującą warstwą pasywną na powierzchni metalu i w niewielkim stopniu bierze udział w reakcjach przenoszenia ładunku.

Celem pracy doktorskiej mgr Izdebskiej będzie zwiększenie wydajności pracy baterii opartych na dwuwartościowych metalach (Mg, Ca) za pomocą dodatków do elektrolitów. Główna hipoteza badawcza postawiona przez doktorantkę opiera się na badaniu oddziaływań chelatujących dodatków z kationami metalu oraz z anionami soli.

Takie dodatki są szyte na miarę i łatwe w modyfikacji. Ich projektowanie można porównać do budowy z klocków: z całej selekcji grup modyfikujących strukturę cząsteczki można wybrać te, które będą przynosiły pożądane przez nas efekty i dobudować je do cząsteczki bazowej, dokładnie tak, jakbyśmy doczepiali klocki do większej konstrukcji. Takie dodatki mogą promować powstawanie jonów magnezowych i ułatwiać im przenoszenie ładunku w baterii.

Projekt: "Dodatki do baterii o wysokiej energii opartych na jonach dwuwartościowych metali i organicznej katodzie" jest finansowany przez Narodowe Centrum Nauki  (OPUS 22 LAP o numerze 2021/43/I/ST4/02521).

Materiał nadesłany