Mały format, wielka moc. Elektrolity polimerowe w bateriach litowo-jonowych

Tematyka  rozprawy doktorskiej dotyczy badań nad elektrolitami, które są wykorzystywane w bateriach litowo-jonowych służących do zasilania powszechnie stosowanych urządzeń elektronicznych, jak: laptopy, czy telefony komórkowe. Pomimo, że tego typu ogniwa są produkowane w miliardach sztuk rocznie, to ciągle istnieje potrzeba ich udoskonalania. Jest to związane z rosnącym stopniem zaawansowania urządzeń elektronicznych i coraz to nowymi funkcjami jakie muszą spełniać, co z kolei wymusza użycie baterii o większej mocy i korzystnie mniejszych wymiarach. Wielkim wyzwaniem jest konstrukcja ogniw litowych o dużej mocy, dla potrzeb przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego, a zwłaszcza baterii, które można wykorzystać w samochodach o napędzie elektrycznym lub hybrydowym.

W ramach pracy doktorskiej Pani dr inż. Justyny Ostrowskiej podjęto próbę opracowania elektrolitów, które mogłyby skutecznie działać w tego typu bateriach. Elektrolit, który może być rozważany jako kandydat do praktycznego zastosowania musi spełniać wiele wymogów. Powinien charakteryzować się wysoką stabilnością chemiczną i elektrochemiczną, dobrze „współpracować” z elektrodami, to znaczy dobrze do nich przylegać i nie tworzyć na ich powierzchni warstw o dużej oporności, a także elastycznie reagować na znaczne zmiany objętości elektrod w cyklach pracy i ładowania. Przede wszystkim jednak powinien być bezpieczny i nie stwarzać zagrożenia wybuchem lub pożarem. Z tego powodu jednym z kluczowych problemów jest opracowanie elektrolitów, które nie zawierają lotnych, łatwopalnych rozpuszczalników organicznych, które są stosowane, w komercyjnie produkowanych bateriach litowych.

Innym poważnym ograniczeniem utrudniającym konstrukcję ogniw o dużej mocy jest niska selektywność transportu kationów litowych w cyklach pracy i ładowania. Znaczna część energii jest marnowana na przemieszczanie anionów, które nie biorą udziału w procesach elektrodowych. Rozwiązania zaproponowane w pracy pozwalają w znacznym stopniu rozwiązać te problemy. 

Kluczowym pomysłem jest opracowanie ciekłych soli litu (tzw. cieczy jonowych), które nie wymagają stosowania dodatkowych rozpuszczalników. Aby uzyskać ten efekt odpowiednio zaprojektowano strukturę anionu lub użyto adekwatnych receptorów, które skutecznie wiązały aniony występujące w klasycznych elektrolitach litowych. Równocześnie dzięki znacznemu rozbudowaniu struktury anionu ograniczono ich zdolność do przemieszczania. Do tego celu wykorzystano nowa klasę organicznych pochodnych boru. Opracowano również wersje elektrolitu w postaci elastycznej membrany polimerowej.

Testy elektrochemiczne wskazują, że niektóre z otrzymanych elektrolitów mogą być wykorzystane ogniwach stosowanych w motoryzacji, ze względu na dobre parametry użytkowe w szerokim zakresie temperatur oraz bezpieczeństwo stosowania.

Innowacyjne rozwiązania przedstawione w pracy są przedmiotem trzech patentów oraz pięciu publikacji w renomowanych czasopismach naukowych.

Rozprawa doktorska pt.: „Związki boru jako modyfikatory elektrolitów polimerowych” została wykonana na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej. Promotorem pracy jest prof. dr. hab. Zbigniew Florjańczyk, zaś opiekunem dr inż. Ewa Zygadło-Monikowska.

Powiązane materiały:

Rozprawa doktorska studentki Politechniki Warszawskiej nagrodzona
FIAT Chrysler Automobiles nagradza studentów PW