Stabilizacja anod litowo-metalowych za pomocą dodatków elektrolitycznych na bazie porfiryny

W dobie poszukiwań alternatywnych źródeł energii i usilnych dążeń do poszerzenia zakresu ich wykorzystywania, zagadnienia związane z gromadzeniem i przechowywaniem energii elektrycznej odgrywają niezwykle ważną rolę. Jednym z kluczowych obszarów badań i rozwoju jest konstruowanie i usprawnianie akumulatorów, a wśród wykorzystywanych rozwiązań technologia akumulatorów litowo-jonowych (LIB, ang. lithium-ion batteries) zajmuje obecnie wiodące miejsce. Jednakże akumulatory LIB osiągają obecnie granice swojej wydajności. Jedna z koncepcji pokonania ograniczenia bazuje na zamianie materiału anody z kompozytu litowo-węglowego stosowanego obecnie w LIB na metaliczny lit (LMB, ang. lithium-metal batteries). Według przewidywań, zastosowanie metalicznych anod litowych pozwoliłoby zwiększyć pojemność anodową ponad dziesięciokrotnie, umożliwiając wkomponowanie w akumulatorze większej ilości materiału katodowego (kluczowego dla wydajności baterii). Niestety praktyczne zastosowanie LMB jest utrudnione przez fakt, że wysokowydajne ciekłe elektrolity stosowane w LIB nie zapobiegają degradacji ogniw – tworzeniu się metalicznych dendrytów litowych podczas wielokrotnego ładowania i rozładowywania ogniwa, które mogą prowadzić do zwarć wewnątrz akumulatora i potencjalnie katastrofalnej awarii.

dr hab. Szymon Godlewski, prof. UJ, fot. Michał Łepecki
Nasz projekt dotyczy opracowania skutecznego rozwiązania tego problemu, bazującego na dodaniu pewnych pochodnych porfiryny do elektrolitu w ogniwach litowych, co umożliwi zwiększenie długości życia baterii. Podejrzewa się bowiem, że zahamowanie niezwykle niekorzystnego tworzenia struktur dendrytowych w przypadku użycia pochodnych porfiryn w elektrolicie jest związane z włączeniem pochodnych porfiryny do warstwy na granicy ciało stałe-elektrolit (SEI, ang. solid electrolyte interface).

W ramach badań analizowany będzie wpływ rodzaju zastosowanego materiału organicznego, w tym pochodnych porfiryny lub ftalocyjaniny – określanych jako makrocykle tetrapirolowe (TPM, ang.  tetrapirole macrocycles). Dotychczasowe doświadczenia pokazują, że tak zmodyfikowany SEI jest znacznie skuteczniejszy w długookresowym zapobieganiu tworzenia się dendrytów. Pomyślne ograniczenie tworzenia dendrytów w rozwiązaniach aplikacyjnych byłoby przełomem w rozwoju akumulatorów litowych o dużej pojemności.

Aby osiągnąć założony cel planowane jest eksperymentalne zbadanie struktury i procesu powstawania zmodyfikowanego SEI utworzonego przez pochodne porfiryny jako punktu wyjścia do dalszej optymalizacji elektrolitu, a także opracowanie modeli obliczeniowych struktury oraz właściwości funkcjonalnych i mechanicznych zmodyfikowanego SEI, które umożliwią wytyczenie ścieżek dalszej optymalizacji. W kolejnych etapach planowane jest opracowanie zoptymalizowanego składu elektrolitu na skalę laboratoryjną do zastosowania w LMB z dostępnym na rynku materiałem katodowym, a w finalnym kroku – wyprodukowanie urządzenia demonstracyjnego i zweryfikowanie jego działania. Konstrukcją i optymalizacją ogniw pod kątem przyszłych zastosowań praktycznych będą się zajmować nasi partnerzy z Niemiec i z Danii. Nasze doświadczenie i park badawczy pozwolą na spojrzenie na powierzchnię interfazy metaliczny lit – makrocykle tetrapirolowe z precyzją atomową. Dzięki wykorzystaniu mikroskopów prądu tunelowego (STM) i sił atomowych (AFM), które zapewniają niezwykłe możliwości obrazowania, uzyskamy wgląd w detale architektury międzywierzchni. Co więcej, planujemy po raz pierwszy zastosować podejście tzw. „syntezy na powierzchni” (on-surface synthesis) do wytworzenia struktur molekularnych połączonych kowalencyjnie na powierzchniach bardzo reaktywnych. To nowatorskie podejście umożliwiło w ostatnich kilkunastu latach wytworzenie z precyzją atomową nowych, nieosiągalnych wcześniej układów molekularnych. W niniejszym projekcie podejmiemy się niezwykle ekscytującego, ale i trudnego zadania tworzenia nowych wiązań chemicznych pomiędzy strukturami molekularnymi na niezwykle reaktywnej powierzchni litu. Nasze badania zapewnią nowy wgląd w chemię struktur molekularnych na powierzchni anodowej i wkroczenie w zupełnie nowy obszar reakcji na powierzchniach aktywnych.

Obraz 3D bezkontaktowej mikroskopii sił atomowych undeacenu wytworzonego w podejściu „syntezy na powierzchni”.