Hibrīda oglekļa nanocaurulīšu-Bi2Se3 anoda elektrodu cieta-elektrolīta starpfāzu slāņa optimizācija Li jonu bateriju veiktspējas palielināšanai

Projekta nosaukums: Hibrīda oglekļa nanocaurulīšu-Bi2Se3 anoda elektrodu cieta-elektrolīta starpfāzu slāņa optimizācija Li jonu bateriju veiktspējas palielināšanai

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/4/20/694

Projekta īstenošanas termiņš: 01.01.2021.–30.06.2023.

Projekta kopējais finansējums, LU daļa: EUR 111 504,90,  no kura 5% jeb 5 575,25 EUR ir Latvijas Universitātes finansējums.

Projekta mērķis: Izpētīt SEI slāņa veidošanos uz hibrīdajiem CNT-Bi2Se3 anoda elektrodiem un iegūt optimālu SEI (gan dabīgi audzētiem, gan makslīgi veidotiem uz mākslīgā polimēra bāzes), kas nodrošina stabilu un ilgu Li jonu bateriju kalpošanas laiku.

Projekta rezultāti u.c. informācija par projekta īstenošanu: 3 zinātniskie raksti, kuri tiks iesniegti publicēšanai Web of Science vai SCOPUS datubāzē iekļautu žurnālu vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa. 3 starptautiskas zinātniska konferences (mutisks vai stenda referāts par aktivitātes rezultātiem). 1 Latvijas patents sagatavots un iesniegts.

I ceturksnis (01.01.2021.–31.03.2021.)

Ir noteikti optimālie eksperimenta apstākļi, piemēram, elektroķīmiskā potenciāla logs, ciklēšanas ātrums un ciklu skaits. Tika pētīta SWCNT un Bi2Se3 anodu elektroķīmiskā uzvedība ūdens elektrolītā. Ir noteikts SEI veidošanās elektroķīmiskais potenciāls pie Bi2Se3 anoda ūdens šķīdumā. Rezultāti tika prezentēti Latvijas Universitātes 79. starptautiskajā zinātniskajā konferencē.

II ceturksnis (01.04.2021.–30.06.2021.)

Izmantojot elektroķīmiskās pretestības metodi, mēs ieguvām SEI slāņa pretestību Bi2Se3 anoda uzlādes-izlādes cikla laikā. Eksperimentālie dati ļāva ieteikt SEI slāņa veidošanās mehānismu un novērtēt tā ietekmi uz anodu elektroķīmisko uzvedību. Paraugi sagatavoti XPS analīzei. Prezentēti projekta rezultāti Eiropas Zinātnieku naktī.

III ceturksnis (01.07.2021.–30.09.2021.)

Atskaites periodā tika noteikti apstākļi ātrai un lēnai SEI slāņa veidošanai uz Bi2Se3 anoda ūdens elektrolītos. Tika arī parādīts, kā mainās anoda lādiņš un izlāde riteņbraukšanas laikā SEI slāņa ātras un lēnas veidošanās gadījumā.

Rezultāti prezentēti konferencē "Advanced Materials and Technologies 2021" 23.-27. augustā Palangā Lietuvā.

IV ceturksnis (01.10.2021.–31.12.2021.)

Atskaites periodā tika pētīta elektrodu virsmas struktūra un substrāta ietekme uz elektrodu struktūru. Tika pētīta anodu uzvedība neūdens elektrolītā. Atskaites periodā  tika veikti XRD, Ramana spektroskopijas, EDS, SEM, EIS, ilgtermiņa cikliskuma un ātruma spēju mērījumi.

V ceturksnis (01.01.2021.–31.03.2021.)

Ir pētīti SEI slāņa veidošanās modeļi uz Bi2Se3@CNT anoda. Šim nolūkam tika sagatavota LIR2032 monētu šūna ar litija metālu kā palīgelektrodu un atsauces elektrodu. Kā elektrolīts tika izmantots 1 M LiPF6 etilēna karbonāta un dietilkarbonāta maisījumā (1: 1 tilpumā). Tika veikti elektroķīmiskie pētījumi (cikliskā voltammetrija, elektroķīmiskās pretestības spektroskopija), kas ļāva noteikt potenciālu, pie kura veidojas SEI slānis, kā arī izdarīt secinājumus par tā stabilitāti. Parādīta datu lapa par dabiskā SEI slāņa veidošanos un īpašībām uz CNT-Bi2Se3 anoda virsmas.

Tiek apspriestas metodes un izvēlēti piemērotākie materiāli SEI slāņa mākslīgai veidošanai. Tiek apspriesta vara selenīda iespējamā ietekme uz SEI slāņa veidošanos. Sakarā ar to, ka vara ir elektronu afinitāte, tā klātbūtne var pozitīvi ietekmēt anoda īpašības.

Atskaites periodā rezultāti prezentēti Latvijas Universitātes 80. starptautiskajā zinātniskajā konferencē. Manuskripts kas satur datus par SEI slāņa veidošanos, ir nosūtīts iespiešanai.

VI ceturksnis (01.04.2022.–30.06.2022.)

Izpētīta šķīduma koncentrācijas un jonu mobilitātes ietekme uz cietas elektrolīta robežas veidošanos uz Bi2Se3 anoda. Ir pētīti pavadošie procesi, kas notiek litija interkalācijas-deinterkalācijas laikā oglekļa nanocaurulēs. Izpētīta vadošā polimēra PEDOT ietekme uz Bi2Se3 ūdens šķīdumā. Izveidojās stabila plēve, kas, pēc EIS datiem, riteņbraukšanas laikā pamazām izšķīda ūdenī. Anoda ar PEDOT mākslīgo plēvi kapacitatīvās īpašības izrādījās zemākas

VII ceturksnis (01.07.2022. – 30.09.2022.)

Tika veikta dabiskā SEI slāņa optimizācija uz Bi2Se3 virsmas. Turot elektrodu 24 stundas nātrija karbonāta šķīdumā, uz virsmas veidojas pasivējoša plēve. Plēves un šķīduma saskarnes pretestība ir aprakstīta ar Ārmstronga-Edmondsa vienādojumu, ņemot vērā vienlaicīgu lādiņa pārnesi pasivējošā plēvē un no tās. Atkarībā no pārsprieguma un virsmas pārklājuma rodas induktīvie efekti. Ir konstatēts, ka SWCNT kā anoda izmantošana ir nepraktiska ļoti zemo īpatnējās kapacitātes vērtību dēļ, bet kombinācijā ar bet kombinācijā ar citiem materiāliem (Sb, TiO2, Bi2Se3) kapacitāte palielinās pseidokapacitātes ieguldījuma dēļ.

Tika iegūti elektrodi ar mākslīgiem SEI slāņiem no karboksimetilcelulozes, polietilēnoksīda, poli(etilēnglikola)diakrilāta-kovinilkarbonāta ar nelielu daudzumu CuF2 un LiNO3 daļiņu. Tiek pētīti anodu uzlādes-izlādes raksturlielumi ar iegūtiem mākslīgiem SEI slāņiem ūdens un organiskajos elektrolītos.

Pārskata periodā piedalījas vasaras valodu skolā. Nokārtoja latviešu valodas eksāmenu valsts satura centrā un saņēma apliecību par vidējo valodas prasmi (B1)

Atskaites periodā rezultāti prezentēti

• 15. starptautiskajā impedances spektroskopijas seminārā, 2022.gada 27.-30.septembrī Kemnicā, Vācijā ar mutisku prezentāciju;
• Apvienotā starptautiskajā konferencē Funkcionālie materiāli un nanotehnoloģijas un Nanotehnoloģijas un inovācijas Baltijas jūras reģionā FM&NT – NIBS 2022, 2022. gada 3.-6.jūlijs, Rīga, Latvija ar stenda referātu
• 24. starptautiskajā konferencē "Advanced Materials and Technologies" 22.08.2022 - 26.08.2022, Palangā, Lietuvā ar stenda referātu.
• Raksts ar rezultātiem pieņemts publicēšanai un publicēts žurnālā "Batteries".
• Prezentēti projekta rezultāti Eiropas Zinātnieku naktī

VIII ceturksnis (01.10.2022. – 31.1.2022.)

Elektrodu virsma tika detalizēti pētīta ar elektroķīmiskās pretestības spektroskopiju, Ramana spektroskopiju, SEM pirms un pēc cikla. SEI slāņa sastāvs tika noteikts, izmantojot XRD, EDX metodes. Ir noteikta optimālā CNT un Bi2Se3 attiecība ar labākajiem kapacitātes raksturlielumiem uzlādes-izlādes cikla laikā.

Ir pētīti mākslīgie SEI slāņi uz elektrodiem gan ūdens, gan organiskos šķīdinātājos. Izpētīts slāņa sastāvs un īpašības pēc ilgstošas uzlādes-izlādes cikla. Pamatojoties uz WP2 saņemtajiem materiāliem, tiek gatavots manuskripts. Turpinās darbs pie publikācijām, kas saistītas ar SEI slāņa optimizāciju un mākslīgā slāņa veidošanu uz CNT-Bi2Se3 elektroda

Konferences raksts "Characteristics of the SEI-Layer Formations on the Bi2Se3 Anode in LiNO3 and NaNO3 Solutions by Electrochemical Impedance Spectroscopy" tika indeksēts Scopus.

IX ceturksnis (01.01.2023. – 31.03.2023.)

Ir iegūti dati par Bi2Se3@SWCNT hibrīda anoda cikliskumu ūdens elektrolītā. Ir noskaidrots, kā anoda sintēzes apstākļu izmaiņas ietekmē ilgstošas ciklēšanas laikā standarta organiskā elektrolītā. Ir konstatēts, ka -COOH grupu klātbūtne uz CNT virsmas izraisa kapacitātes samazināšanos litija interkalācijas/deinterkalācijas laikā no ūdens šķīduma. Rūdīšana palielina CNT kapacitātes 10 reizes. Šie dati tika apspriesti Gordon pētniecības konferencē par nanomateriālu pielietojumam energotehnoloģijās, kas notika no 26.02.2023.-03.03.2023 Ventura Beach Marriott Venturā, Kalifornijā, ASV. Piedalījās diskusijā un saņēma vērtīgus padomus no zinātnieku aprindām, lai uzlabotu eksperimentu. Prezentēju stenda referātu “Optimization of single-walled carbon nanotubes anode for applications in developing aqueous lithium-ion battery // Yelyzaveta Rublova, Vitalijs Lazarenko, Andrei Felsharuk, Raimonds Meija, Donats Erts".

Bi2Se3@CNT hibrīda anoda gadījumā -COOH grupu klātbūtne, gluži pretēji, palielina kapacitāti.

Ilgtermiņa uzlādes-izlādes cikls pabeigts Bi2Se3@SWCNT anodiem, kas sintezēti ar dažādām metodēm un pārklāti ar dažādiem mākslīgiem SEI slāņiem. Pēcnāves analīze tiks veikta

Tika sagatavots un iesniegts žurnālā Batteries (IF = 5,938 ar citēšanas indeksu 50% no nozares vidējā) raksts “Modification of Single-walled carbon nanocaurules networks anodes for use in water litium-ion baterijas.

Piedalījos 1,5 stundu garā profesora JURIJA GOGOTSI lekcijā "Kā uzrakstīt lielisku pētniecisko rakstu un to publicēt (How to Write a Great Research Paper and Get it Published)" .

X ceturksnis (01.04.2023. – 30.06.2023.)

Ir izstrādāta tehnoloģija cietā elektrolīta starpfāzes slāņa veidošanai un optimizācijai uz Bi2Se3@CNT anoda virsmas

Pētījums bija vērsts uz dažādu vadīgu polimēru pielietošanu kā mākslīgus SEI slāņus, proti, polietilēna oksīdu (PEO), karboksimetilcelulozi (CMC) un poli (etilēna glikola) diakrilāta kopolimēru - ko - vinilēna karbonātu (PEGDA-ko-VC). Elektroda pārklājums ar šiem polimēriem ietekmēja elektrodu stabilitāti un efektivitāti. CMC pārklāti elektrodi parādīja samazinātas kapacitātes, iespējams, sakarā ar izmaiņām elektroda struktūrā. PEO pārklāti elektrodi arī parādīja zemākas izlādes kapacitātes, norādot uz blakusreakcijām, kurās iesaistīts polimērs. Pretstatā tam, PEGDA-ko-VC pārklāti elektrodi parādīja ievērojamu stabilitāti un konsekventu kapacitāti vairākos ciklos.

Raksts "Modification of Single-Walled Carbon Nanotube Networks Anodes for Application in Aqueous Lithium-Ion Batteries" ir publicēts žurnālā Batteries.

Ir iesniegtas drukāšanai četras raksti: «Modification of the Bi2Se3 electrode to improve anode efficiency in aqueous Li-ion batteries», «Surface Engineering of Binder-Free Anodes Composed of Bi, Se, Cu, and Carbon Nanotubes to Improve Lithium-Ion Batteries», "Binder-free Cu1.9Bi0.1Se@SWCNT hybrid anodes for lithium-ion and sodium-ion batteries", "Bi2Se3@SWCNT heterostructures with beyond theoretical capacity as perspective binder-free anodes for lithium-ion batteries"

Sagatavots un iesniegts Latvijas patenta pieteikums.

Atskaites periodā pētījumi tika veikti arī Aalto Universitātē, Espo, Somija.