Nanostrukturní materiály pro Li a Na baterie nové generace

Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2018
Odpovědný řešitel: Prof. RNDr. Ladislav Kavan, DSc., Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, AV ČR, v. v. i.
Spolupracující pracoviště: HE3DA s.r.o.

Aktivita 1: Nanostrukturní materiály pro Li a Na baterie nové generace vykazující vyšší bezpečnost, kapacitu i rychlost nabíjení

V průběhu roku 2018 probíhalo řešení projektu ve dvou paralelních směrech. První část byla zaměřena na přípravu a studium vlastností nových perspektivních materiálů na bázi ternárních oxidů pro Li a Na baterie a spadá tedy spíše do kategorie základního výzkumu, i když se zřejmým aplikačním potenciálem. Ve spolupráci s Ústavem Geotechniky SAV v Košicích a japonské Faculty of Science and Technology, Keio University byla dokončena a publikována studie vlivu plochy povrchu a velikosti částic spinelu Li₄Ti₅O₁₂, připraveného novou nízkoteplotní metodou syntézy v tuhé fázi, na jeho elektrochemickou kapacitu pro ukládání Li [1]. Pro optimalizovaný materiál s plochou povrchu 21m²/g byla prokázána vysoká cyklická stabilita a kapacita dosahující 170 mAh/g při nabíjecí rychlosti 1C, 167 mAh/g při nabíjecí rychlosti 2C a 160 mAh/g při nabíjecí rychlosti 5C.

Na₂Ti₃O₇ představuje materiál, který je pro své elektrochemické vlastnosti při ukládání Na v poslední době intenzívně studován. Jeho hlavní předností je velice nízký potenciál, při němž dochází k ukládání Na iontů. Kombinací Na₂Ti₃O₇ se vhodně zvoleným katodovým materiálem bude možné vytvořit Na baterii disponující maximální kapacitou, dosažitelnou pro tento typ článku. Řešitelskému týmu ÚFCH JH se podařilo vyvinout a opublikovat² nový typ přípravy nanokrystalického Na₂Ti₃O₇ s vynikajícími elektrochemickými vlastnostmi. Kapacita zmíněného materiálu pro ukládání Na činila 109 mAh/g při vybíjecí rychlosti 1C, 86 mAh/g při 2C a 63 mAh/g, při 5C se 100% coulombickou účinností a nulovým poklesem během 50 cyklů.

Ve spolupráci s výše uvedenými pracovišti bylo zahájeno studium elektrochemických vlastností K₂Ti₆O₁₃ připraveného originálním postupem. Tento relativně nový materiál se jeví jako perspektivní pro použití v lithiových, sodíkových a v budoucnu možná i draslíkových bateriích. První výsledky a podrobná metodika výzkumu budou rozpracovány na workshopu spolupracujících pracovišť v říjnu 2018 v Košicích.

Druhá část výzkumu tématiky 1 spadá do oblasti aplikovaného výzkumu a zahrnuje výzkum a optimalizaci materiálů a konstrukce nového typu baterie. Tento výzkum probíhá ve spolupráci s komerčním partnerem HE3DA. V roce 2018 byl dokončen technologický postup přípravy optimalizovaného materiálu katody (NMC) s vysokou kapacitou a cyklickou stabilitou. Byly definovány morfologické parametry optimalizovaného NMC (plocha povrchu, velikost a tvar částic) nezbytné k dosažení maximální kapacity a stabilního výkonu baterie. Pomocí analytických metod byl vybrán nejvhodnější z komerčně dostupných elektrolytů. Odolnost nového typu baterie proti mechanickému poškození, jež je přímým důsledkem její konstrukce, byla ověřena crash testem a spolu s testováním výkonnosti baterie byla prezentována na portálu tzb-info (https://oze.tzb-info.cz/akumulace-elektriny/16935-baterie-he3da-vyroba-zatez-zkrat-a-crash-test). Fáze 3–6 této zkoušky proběhly za účasti členky řešitelského týmu Markéty Zukalové z ÚFCH JH, kde jsou parametry technologie HE3DA pravidelně ověřovány. Markéta Zukalová k průběhu jednotlivých fází následně poskytla komentář.

Publikace v mezinárodních impaktovaných časopisech:

1. Zukalová, M.; Fabián, M.; Klusáčková, M.; Klementová, M.; Pitňa Lásková, B.; Danková, Z.; Senna, M.; Kavan, L. Electrochim Acta 2018, 265, 480-487.
2. Zukalová, M.; Pitňa Lásková, B.; Mocek, K.; Zukal, A.; Bouša, M.; Kavan, L. J Solid State Electrochem 2018, 22, (8), 2545-2552.

Přednášky na konferencích:

• Markéta Zukalová: Alkali metal insertion into TiO2 based ternary oxides, DPG Spring Meeting 2018, Berlin, Germany, March 11-16, 2018
• Markéta Zukalová: Novel synthesis of nanocrystalline Na₂Ti3O₇ with improved performance for Na-ion batteries, 22nd ISE Topical Meeting, Tokyo, Japan, April 14-18, 2018
• Markéta Zukalová, Ladislav Kavan, Martin Fabian: Li insertion into Li₄Ti₅O₁₂ spinel prepared by low temperature solid state route: Charge capability vs surface area, CIMTEC2018, Perugia, Italy, June 10-14, 2018
• Markéta Zukalová, Jan Procházka and Barbora Pitňa Lásková: Layered LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂ (NMC) with optimized morphology for Li-ion batteries, ABAF 19^th, Brno, Czech Republic, August 26-29, 2018

Popularizace a komercializace:

• Markéta Zukalová: komentář k testování výkonu a bezpečnosti baterie firmy HE3DA
• (https://oze.tzb-info.cz/akumulace-elektriny/16935-baterie-he3da-vyroba-zatez-zkrat-a-crash-test)

Workshopy:

• Workshop spolupracujících pracovišť (Ústav Geotechniky SAV v Košicích, Faculty of Science and Technology, Keio University, Japonsko, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, AV ČR v. v. i.) s názvem “Electrochemical properties of advanced materials for next generation batteries”, říjen 2018, Košice (bude zahájeno)