Revista >> Martie 2021 [Nr. 232] >> Cercetare & Invatamant superior

INCDTIM, la originea unei noi clase de materiale organice pentru bateriile litiu-ion

Dr. Cristian Morari, INCDTIM Cluj-Napoca

19 Martie 2021

Întrucât acoperă un spectru larg de informaţii esenţiale pentru înțelegerea proprietăţilor extraordinare ale sulfonamidelor conjugate și ale mecanismelor care guvernează funcţionalitatea lor, activităţile teoretice sunt indispensabile unui studiu de material de o asemeneaanvergură.

Pe de o parte, este necesară elucidarea mecanismelor electrochimice care conduc la obţinerea acestor potențiale remarcabile, cu valori de 3V şi peste această valoare. Pe de altă parte este esenţială analiza stabilităţii structurale în diverse stări de oxidare a celor şase tipuri de sulfonamidă investigate. Concluziile formulate nu numai că permit înţelgerea şi explicarea mecanismelor de reacţie care fac ca sistemele CSA să fie interesante din punct de vedere al aplicaţiilor practice, ciînplusdeschid calea către dezvoltarea ulterioară a unor noitipuri de materiale care au la bază sistemele CSA ca și cărămizi constitutive.

Continuarea naturală a cercetărilor în această direcție urmărește ca împreună cu partenerii de la UCL să fie abordată fabricarea unor structuri cu complexitate ridicată pornind de la sulfonamide conjugate. Concret, ne referim la structuri autoasamblate de tip MOF (metal-oxide frame), care au avantajul unei geometrii poroase la nivel nanoscopic și care ar permite migrarea atomilor de litiu în interiorul electrodului. Prin reducerea elementului entropic (i.e. reprezentat de trecerea de la soluţie la o structură cristalină, periodică) este de așteptat să apară o creştere a stabilităţii electrozilor fără a implica reducerea semnificativă a vitezei de încărcare (ne referim aici la viteza de migrare a litiului în MOF, comparativ cu cea din soluție). De asemenea, este de așteptat ca atomii metalici din structura MOF să contribuie la creşterea potențialului redox al electrodului.

Extinderea investigațiilor
Verificarea acestor ipoteze și analizarea tuturor acestor structuri moleculare reprezintă în esenţă un set de activități teoretice care urmează a fi întreprinse în cadrul proiectului „Stabilitatea sistemelor MOF-sulfonamidă utilizate ca electrozi în bateriile Litiu-ion”, condus de către INCDTIM şi finanţat de către UEFISCDI ca şi componentă a programului PN-III-P4-ID-PCE-2020.

Proiectul este unul de tip „high risk - high gain”, în care accentul investigaţiilor este pus atât pe stabilitatea electrozilor (i.e. a structurilor de tip MOF în prezenţa atomilor de litiu) cât şi pe descrierea modului în care această stabilitate ar putea fi afectată de migraţia atomilor de litiu în structura MOF. Spre deosebire de studiile anterioare din domeniul electrochimiei sulfonamodelor conjugate, care sunt focusate în esenţă pe analiza de structrură electronică, în cadrul acestui studiu avem în vedere extinderea investigaţiilor către zona de analiză a stabilităţii termodinamice: instrumentele pe care umează să le utilizăm sunt în acest caz dinamica moleculară şi analiza vibraţională, atât a proceselor de migraţie a litiului, cât și a răspunsului rețelei MOF la migraţia atomilor de litiu în structură.

De la studii teoretice la activități experimentale
Până acum, toate activitățile experimentale au fost realizate la UCL (imaginea din dreapta). Echipa din INCDTIM intenționează să se implice treptat în activitățile experimentale, în principal prin orientarea către evaluarea calităților bateriilor prin spectroscopie electrochimică de impedanță.

În acest context menţionăm o a doua componentă a activităţilor noastre în domeniul dezvoltării unor baterii robuste și puternice, complementară studiilor teoretice. Este vorba de analiza proprietăţilor bateriilor comerciale prin metode de spectroscopie electrochimică de impedanţă. Acest tip de activități experimentale, desfăşurate în colaborare cu SC ROMBAT SA, au condus la elaborarea şi testarea unui nou concept de grilă pentru bateriile plumb-acid, care a fost publicat recent în Electrochimica Acta (DOI: 10.1016/j.electacta.2021.137880).

Estimăm că rezultatele pe care le vom obţine şi experienţa care va fi acumulată în cadrul proiectului vor conduce la consolidarea poziţiei de lider a INCDTIM Cluj-Napoca în zona de simulări numerice pentru materiale funcţionale avansate, reprezentând în acelaşi timp o oportunitate pentru consolidarea studiilor în domeniul stocării de energie pe care grupul nostru le realizează.