„Tlenki wysokoentropowe jako potencjalne materiały anodowe dla ogniw Li-ion”

Lista publikacji w ramach projektu:

Moździerz, J. Dąbrowa, A. Stępień, M. Zajusz, M. Stygar, W. Zając, M. Danielewski, K. Świerczek, Mixed ionic-electronic transport in the high-entropy (Co,Cu,Mg,Ni,Zn)_1-xLi_xO oxides, Acta Mater. 208 (2021) 116735.
Główne wnioski: Określono naturę właściwości transportowych (Co,Cu,Mg,Ni,Zn)_1-xLi_xO i zaklasyfikowano je jako mieszane przewodniki jonowo-elektronowe, a nie jak wcześniej donoszono w literaturze czyste przewodniki jonów litu.
Moździerz, K. Świerczek, J. Dąbrowa, M. Gajewska, A. Hanc, Z. Feng, J. Cieślak, M. Kądziołka-Gaweł, J. Płotek, M. Marzec, A. Kulka, High-Entropy Sn_0.8(Co_0.2Mg_0.2Mn_0.2Ni_0.2Zn_0.2)_2.2O₄ Conversion-Alloying Anode Material for Li-Ion Cells: Altered Lithium Storage Mechanism, Activation of Mg, and Origins of the Improved Cycling Stability, ACS Appl. Mater. Interfaces. 14 (2022) 42057–42070.
Główne wnioski: Odkryto nowy mechanizm magazynowania Li w wieloskładnikowej amorficznej matrycy poprzez reakcję konwersji i stopowania, który jest odpowiedzialny za znakomitą stabilność pracy badanego spinelu w ogniwie.
Moździerz, Z. Feng, A. Brzoza-Kos, P. Czaja, B. Fu, K. Świerczek, Understanding the electrochemical reaction mechanism to achieve excellent performance of the conversion-alloying Zn₂SnO₄ anode for Li-ion batteries, J. Mater. Chem. A. 38 (2023) 20686–20700.
Główne wnioski: Określono procesy i mechanizmy pracy niskoentropowego Zn₂SnO₄ odpowiedzialne za niewystarczającą stabilność pracy dla wyjściowego materiału o mikrometrycznych cząstkach. W celu poprawy dokonano optymalizacji elektrod i elektrolitu oraz przeprowadzono pomiary w konfiguracji pełnych ogniw Li-ion z komercyjną katodą.
Fu, A. Kulka, B. Wang, M. Moździerz, A. Brzoza-Kos, P. Czaja, K. Świerczek, Ni-rich LiNi_0.905Co_0.043Al_0.052O₂ cathode material for high-energy density Li-ion cells: Tuning lithium content, structural evolution, and full-cell performance, Electrochim. Acta. 494 (2024) 144455.
Główne wnioski: Opracowano wysokoniklowy materiał katodowy z różną zawartością nadmiaru litu dodanego w czasie syntezy oraz wykonano testy w pełnych ogniwach Li-ion wspomnianej katody z wysokoentropowym spinelem zastosowanym jako anoda (Sn_0.8(Co_0.2Mg_0.2Mn_0.2Ni_0.2Zn_0.2)_2.2O₄).
Moździerz, M. Gajewska, P. Czaja, J. Dąbrowa, K. Świerczek, Electrochemically-induced amorphization in multicomponent spinel oxide Li-ion cell anodes: non-equimolarity enables improved electrochemical performance, Chem. Eng. J. (2024) – w recenzji
Ogólny cel projektu: Poszerzenie obecnego stanu wiedzy na temat HEOs w aspekcie opracowania skutecznie działających materiałów anodowych dla ogniw Li-ion.

Realizacja celu i wpływ zrealizowanego projektu na dyscyplinę:

Rozważając i podsumowując wpływ uzyskanych wyników na dyscyplinę, badania przeprowadzone w ramach projektu przyniosły istotne wyjaśnienia i rozwiały istniejące wątpliwości dotyczące tlenków wysokoentropowych (high-entropy oxides, HEOs) domieszkowanych litem, co ma fundamentalne znaczenie dla rozumienia mechanizmów transportu w tych materiałach. W szczególności, dowiedziono, że te związki, wcześniej klasyfikowane jako elektrolity stałe, są w rzeczywistości mieszanymi przewodnikami jonowo-elektronowymi. To odkrycie umożliwia ich zaklasyfikowanie do grupy materiałów elektrodowych dla ogniw Li-ion, jednocześnie wykluczając ich zastosowanie w charakterze elektrolitów. Zaproponowany mechanizm wzrostu przewodności w zależności od stężenia domieszki litu otwiera nowe perspektywy dla dalszych badań nad świadomym projektowaniem tych związków, co wpłynie na rozwój technologii baterii.

W obszarze HEOs o strukturze spinelu, które są stosowane jako materiały anodowe, przeprowadzono kompleksową analizę zaawansowanymi metodami badawczymi, co pozwoliło na odkrycie nowego mechanizmu magazynowania litu. Mechanizm ten, oparty na homogenicznej, wieloskładnikowej matrycy amorficznej, zapewnia wyjątkową stabilność pracy tych materiałów. W oparciu o te badania wykazano, że optymalne właściwości użytkowe można uzyskać poprzez odejście od składów równomolowych, co zmienia podejście do projektowania wieloskładnikowych materiałów anodowych.

Wyniki projektu wyznaczają nowy kierunek rozwoju wysokoentropowych materiałów anodowych, które mogą być produkowane w prosty, tani i skalowalny sposób, bez potrzeby stosowania rozpuszczalników. Te materiały mogą konkurować z grafitem, obecnie szeroko stosowanym w ogniwach Li-ion, oferując realną perspektywę praktycznego zastosowania. Wnioski te mają istotny wpływ na dyscyplinę inżynierii materiałowej, szczególnie w obszarze materiałów anodowych oraz badań nad tlenkami wysokoentropowymi, przyczyniając się do rozwoju nowoczesnych technologii energetycznych.