UK flag

Projekt badawczy finansowany przez Narodowe Centrum Nauki
nr 2012/05/D/ST5/00472
Tytuł projektu: Elektrolit stały dla nowej generacji ogniw litowych typu all-solid-state
Tytuł projektu w j. angielskim: Solid electrolyte for new generation of all-solid-state lithium-ion batteries
Czas trwania: 2013 – 2016
Planowany nakład finansowy: 498 500,00 zł
Kierownik projektu: dr inż. Wojciech Zając
e-mail: wojciech.zajac@agh.edu.pl, tel.: +48-126174751

Beneficjent:
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Wydział Energetyki i Paliw
Katedra Energetyki Wodorowej
Kraków, Al. Mickiewicza 30, 30-059


Opis projektu:
Celem tego projektu badawczego jest zrozumienie wpływu topologii struktury krystalicznej oraz rodzaju tworzących ją atomów / jonów na przewodnictwo jonów litu oraz wielkość i położenie okna elektrochemicznego na przykładzie trzech grup materiałów charakteryzujących się wysoką ruchliwością jonów litu: Li3xLa2/3-xTiO3 o strukturze perowskitu, LiTi2(PO4)3 o strukturze NASICONu oraz Li7La3Zr2O12 o strukturze granatu. W trakcie realizacji projektu zostaną określone najważniejsze parametry fizykochemiczne wpływające na właściwości transportowe tych materiałów, co pozwoli w przyszłości na efektywne projektowanie funkcjonalnych membran elektrolitów stałych dla nowej generacji ogniw litowych typu all-solid-state. Ciała stałe o wysokim przewodnictwie jonowym stanowią niezwykle interesującą, lecz ciągle jeszcze nie do końca poznaną grupę materiałów. Obecnie kołem zamachowym w tej dziedzinie badań jest konieczność opracowania metod efektywnego magazynowania i przetwarzania energii zarówno dla elektroniki przenośnej, motoryzacji, jak i dla zrównoważenia podaży i popytu energii w energetyce odnawialnej. Ze względu na właściwości litu: niewielką masę oraz wysoki standardowy potencjał elektrochemiczny Li+/Li, które wspólnie prowadzą do wysokiej gęstości energii, ogniwa litowe stanowią jedno z obiecujących rozwiązań palących kwestii współczesnej cywilizacji. Dzisiejsza technologia ogniw litowych, stosowanych powszechnie do zasilnia przenośnych urządzeń elektronicznych, jest oparta na elektrolitach ciekłych (roztwór LiPF6 w bezwodnych rozpuszczalnikach organicznych), lub polimerowych (roztwór LiPF6 w poli(tlenku etylenu)). Wykazują one jednak znaczną stratę pojemności podczas cyklicznego ładowania-rozładowania ze względu na tworzenie warstwy SEI (solid-electrolyte interphase) na granicy elektrolit-anoda. Kolejną wadą tego rozwiązania są problemy związane z zastosowaniem jako elektrolitu cieczy palnych, reaktywnych oraz wrażliwych na wilgoć. Użycie badanych w tym projekcie membran tlenkowych o wysokim przewodnictwie jonów litu miałoby znaczące zalety, jednak przed badaniami aplikacyjnymi konieczne jest dogłębne zrozumienie podstawowych zależności determinujących cechy użytkowe elektrolitów stałych.

Description of the project in English:
The objective of this project is to understand the impact of the crystal lattice's topology and type of constituting chemical elements on lithium-ion conductivity, as well as on the size and location of electrochemical window of fast lithium-ion conducting oxides: Li3xLa2/3-xTiO3 of perovskite structure, LiTi2(PO4)3 of NASICON structure and Li7La3Zr2O12 of garnet structure. The project aims at determination of the main parameters influencing transport properties of lithium conductors, which in the future will allow for development of functional membranes of solid electrolytes for the new generation of all- solid-state lithium cells. Solids with high ionic conductivity constitute fascinating, yet not fully understood group of materials. Currently, driving force for research in this field is the need for development of an effective method of energy conversion and storage for portable electronics, automotive applications, as well as balancing demands and supplies of renewable energy for power grids. Due to intrinsic properties of lithium: light weight and high Li+/Li standard electrochemical potential, together leading to high density of energy, lithium electrochemical cells are considered as promising solution of crucial issues of modern civilization. The state-of-the-art technology of lithium-ion batteries widely used in portable electronics is based on liquid (LiPF6 dissolved in non-aqueous organic solvent) or organic polymer electrolytes (LiPF6 dissolved in poly(ethylene oxide)). Both, liquid and polymer electrolytes exhibit substantial loss of capacity during charge-discharge cycles due to formation of solid-electrolyte interphase at the anode side. The other issues are related to high flammability, reactivity and sensitivity towards moisture and oxygen. For these reasons replacement of these types of electrolytes with oxide membrane of high lithium conductivity studied in this project could possess major advantages. However, prior to technological research, deep understanding of basic relations determining fundamental properties of solid electrolytes is necessary.


Lista publikacji

  1. E. Hanc,W. Zając, J. Molenda, “Synthesis procedure and effect of Nd, Ca and Nb doping on structure and electrical conductivity of Li7La3Zr2O12 garnets” Solid State Ionics 262 (2014) 617-621.
  2. W. Zając, „Ogniwa litowe typu all-solid-state oraz inne możliwości konstrukcji ogniwa litowego z elektrolitem stałym” Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych 8 (2014) 21-30.