Projekt MOGLiS – naukowe wsparcie dla gospodarki niskoemisyjnej

Coraz większe rozpowszechnienie pojazdów elektrycznych, a także stale rosnące znaczenie odnawialnych źródeł energii stwarza potrzebę opracowania nowych, lekkich, bardziej pojemnych i wydajnych systemów magazynowania energii, wśród których dominują elektrochemiczne magazyny energii (ang. electrochemical energy storage, EES).

Obecnie na rynku EES dominują ogniwa litowo-jonowe (ang. lithium-ion batteries, LiBs), które mogą być stosowane w szerokiej gamie urządzeń – od małych, przenośnych urządzeń elektronicznych po pojazdy elektryczne. Jednak pomimo tak szerokiego zakresu możliwych zastosowań dalszy rozwój stosowanych dzisiaj powszechnie baterii litowo-jonowych kryje pewne ograniczenia, które wynikają głównie z teoretycznej pojemności elektrody grafitowej wraz z katodą na bazie tlenków metali przejściowych (560 Wh kg-1). Stąd konieczność opracowania technologii, która pozwoli wytwarzać ogniwa o większej gęstości energii.

Jak wykorzystać zalety ogniw litowo-siarkowych?

Jedną z koncepcji jest zastąpienie elektrody grafitowej przez metaliczny lit oraz katody tlenkowej na bardziej pojemną siarkową (ogniwa litowo-siarkowe – Li-S). Ogniwa Li-S są szczególnie atrakcyjne ze względu na ich wyższą teoretyczną pojemność (1675 mAh g-1) i gęstość energii (2500 Wh kg-1) przy średnim napięciu roboczym 2,5 V. Tak wysoka gęstość energii sprawia, że ten typ akumulatorów stanowi bardzo obiecujący obiekt badań dla zastosowań w lekkich systemach magazynowania energii.

Obecnie do głównych wyzwań w dziedzinie ogniw Li-S należą niska przewodność elektronowa siarki elementarnej, duże zmiany objętości katody podczas procesu ładowania/rozładowania oraz  utrata siarki elementarnej – materiału aktywnego katody, w związku z wysoką rozpuszczalnością polisiarczków litu w organicznym elektrolicie. Zjawiska te obniżają sprawność kulombowską, co prowadzi do szybkiego spadku pojemności ogniwa.

Głównym problemem związanym z ogniwami Li-S jest tworzenie się podczas procesu rozładowania siarczków o zmiennej stechiometrii, które reagują z katodowymi produktami reakcji, zmniejszając ogólną wydajność ogniwa. Problem ten można z powodzeniem rozwiązać poprzez immobilizację/unieruchomienie siarki w wysokowydajnej katodzie o odpowiedniej budowie oraz cechującą się doskonałymi właściwościami elektrycznymi.

Sposób na poprawę parametrów

Strukturami, dzięki którym możliwe będzie uzyskanie takich parametrów, mogą być przestrzenne układy metaloorganiczne (ang. Metal Organic Frameworks, MOFs) hodowane na płaszczyznach podstawowych ze zredukowanym tlenkiem grafenu (rGO) – MOF@rGO.

Takie układy będą skutecznie wiązać siarkę elementarną w reakcjach kwasowo-zasadowych (wg teorii Lewisa) zachodzących z jonem metalu pochodzącym z MOFs, który znajdzie się na płaszczyźnie podstawowej rGO.

Przestrzenie międzywarstwowe między poszczególnymi nanowarstwami rGO będą korzystnie wpływać na skutki zmiany objętości związanej z procesem ładowania/rozładowania oraz utratą siarki poprzez blokowanie jej w przestrzeniach międzywarstwowych. Dodatkowo MOF@rGO są elastyczne, charakteryzuje je wysoka wytrzymałość mechaniczna, doskonała przewodność elektryczna, duża powierzchnia czynna i niska masa samego rGO.

Długowieczne źródła prądu

Projekt MOGLiS ma na celu wytworzenie wysokowydajnych materiałów katodowych przy użyciu nowatorskiej architektury struktur MOF@rGO na Poziomie Gotowości Technologii (ang. Technology Readiness Level, TRL) równym IV do zastosowania ich w ogniwach Li-S.

Ulepszone katody umożliwią rozwój, a potem także przemysłową produkcję akumulatorów Li-S nowej generacji, które będą mogły zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na światowym rynku urządzeń do magazynowania energii elektrycznej na elastyczne, niedrogie i długowieczne źródła prądu o dużej gęstości energii, które stanowią kluczowy element udział w przejściu na gospodarkę niskoemisyjną.

Polsko-norweska współpraca

Międzynarodowa współpraca w ramach projektu MOGLiS między wiodącymi europejskimi ośrodkami umożliwi kooperację sektorów produkcji baterii o ugruntowanych pozycjach liderów – zarówno technicznego, jak i przemysłowego. Aby to osiągnąć, ustanawia się również silną zewnętrzną radę doradczą składającą się z odpowiednich ekspertów z branży.

Projekt MOGLiS realizowany jest przez Politechnikę Warszawską (lider projektu), Norwegian University of Science and Technology w Trondheim (Norwegia) oraz organizację SINTEF (Norwegia).

Liderem i koordynatorem projektu jest prof. dr hab. inż. Marek Marcinek z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Strona polska jest odpowiedzialna za przygotowanie i przetestowanie materiałów katodowych w ich ostatecznej formie. Za polską część projektu odpowiada dr inż. Maciej Marczewski z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej.

Projekt otrzymał dofinansowanie w konkursie organizowanym przez międzynarodową sieć M-ERA.NET 2