Revista >> Octombrie 2025 [Nr. 277] >> Cercetare & Invatamant superior

INCDTIM pe harta internațională a dezvoltării de dispozitive avansate pentru stocarea energiei

Dr. Dana Toloman, dr. Adriana Popa, dr. Maria Stefan - INCDTIM Cluj-Napoca

27 Octombrie 2025

În cadrul INCDTIM Cluj-Napoca, o echipă de cercetători coordonată de profesorul Emre Erdem dezvoltă materiale inovatoare pentru a fi utilizate în dispozitive de stocare a energiei prin proiectul: „Creșterea performanței de stocare a energiei în materiale supercapacitoare prin controlul centrilor paramagnetici” – PNRRCF163 (PNRR/2022/C9/MCID/I8 CF 163/15.11.2022 contract 760097/23.05.2023, https://www.itim-cj.ro/pnrr/cf163/), finanțat de Uniunea Europeană - UrmătoareaGenerațieUE, prin intermediul Ministerului Educației și Cercetării, în cadrul programului Dezvoltarea unui program pentru atragerea de resurse umane înalt specializate din străinătate în activitatea de cercetare, dezvoltare și inovare în cadrul PNRR-III-C9-2022-I8 (PNRR/2022/Componenta 9/Investiția 8). Acest proiect oferă soluții inovatoare pentru a satisface cerințele energetice tot mai mari ale viitorului.

Provocarea științifică a proiectului
Resursele limitate și epuizarea rapidă a combustibililor fosili, încălzirea globală și accelerarea consumului mondial de energie din cauza expansiunii economice globale necesită explorarea surselor regenerabile de energie, precum și aplicarea unor tehnologii verzi în dezvoltarea de dispozitive de stocare a energiei de înaltă performanță cu impact redus asupra mediului. Conform evaluării Consiliului Mondial al Energiei, până în 2050 lumea iși va dubla consumul de energie față de momentul actual. Energia eoliană și solară sunt principalele surse de energie regenerabilă, dar imprevizibilitatea, intermitența și variabilitatea sunt principalele impedimente către utilizarea eficientă a acestor surse. Dispozitivele de stocare a energiei sunt soluția pentru a face față acestei probleme, deoarece pot stoca energia și pot spori puterea transmisă în rețea, fiind indispensabile în diverse aplicații, inclusiv electronice portabile, vehicule electrice, utilaje industriale, rețele inteligente și sisteme de captare a energiei. Familia dispozitivelor de stocare a energiei cuprinde bateriile, capacitorii și supercapacitorii, fiecare având mecanisme de stocare diferite.
Supercapacitorii (SC) sunt condensatoare de mare capacitate formate din doi electrozi, electrolit și o membrană separatoare posedând o capacitate specifică mai mare decât condensatoarele electrostatice și pot rezista la mult mai multe cicluri de încărcare-descărcare decât bateriile. Principala diferență dintre un supercapacitor și un capacitor obișnuit constă în mecanismul de stocare a energiei. În timp ce un capacitor obișnuit se bazează pe stocarea sarcinii electrice într-un mediu dielectric, un supercapacitor utilizează fenomene electrochimice pentru a stoca energie într-un electrolit și la interfața cu electrozii. SC au caracteristici de încărcare-descărcare mai rapide decât bateriile, dar o caracteristică de încărcare-descărcare mai lentă decât condensatoarele convenționale, eliminand decalajul dintre condensatoarele convenționale și baterii și oferind o soluție eficientă la diferențele existente între putere și energie. SC sunt proiectate pentru a stoca și elibera rapid o cantitate mare de energie electrică într-un timp scurt.
Limitările SC, cum ar fi densitatea redusă a energiei și costul ridicat de producție, au fost identificate ca principalele provocări majore. Pentru a depăși aceste dezavantaje, dezvoltarea de noi materiale inovatoare pentru electrozi reprezintă una din soluțiile agreate. Astfel, un material ideal pentru electrod ar trebui să aibă proprietăți controlabile privind dimensiunea, forma, defectele, porozitatea, mobilitatea de sarcină și fenomenele de interfață.
Echipa de cercetare din cadrul INCDTIM abordează direct această provocare prin dezvoltarea de materiale compozite pe bază de oxizi metalici, sulfuri și structuri de carbon. Combinația acestor clase de materiale conduce la obținerea de performanțe electrochimice specifice dispozitivelor de stocare a energiei ridicate.

Echipa de cercetare
Având în vedere obiectivul general al Investiției I8 și anume „… atragerea de resursă umană înalt specializată din străinătate, în jurul căreia se vor crea și dezvolta grupuri de cercetare de excelență în domenii științifice de vârf…”, afirmăm că acest obiectiv este atins. Concret, acest proiect s-a dezvoltat în jurul prof. Emre Erdem, un expert internațional recunoscut care a deschis în cadrul INCDTIM o nouă direcție de cercetare, cu impact considerabil asupra vizibilității științifice și a calității institutului gazdă, precum și a comunității științifice din România. Astfel, în cadrul proiectului s-a dezvoltat un laborator pentru testare dispozitive de tip SC pentru stocarea energiei și în același timp s-a creat un grup de cercetare de excelență prin formarea de resursă umană competentă. Echipa de cercetare cuprinde atât cercetători seniori cu expertiză în domeniul materialelor avansate, cât și tineri cercetători dornici să se formeze într-un mediu de înaltă calitate științifică. Echipa proiectului a reușit să atragă tineri cercetatori din străinătate, și anume un cercetător post-doctoral din Pakistan și un student doctorand din Croația care beneficiază de un ecosistem de cercetare atractiv. În decursul proiectului tinerii cercetători au fost încurajați și sprijiniți să participe la diverse manifestări științifice internaționale, unde au diseminat rezultatele obținute în cadrul proiectului prin susținerea de prezentări orale sau sub formă de poster. O parte dintre rezultatele obținute în cadrul proiectului vor constitui material integral pentru teza de doctorat a unuia dintre doctoranzii implicați în proiect.
Dr. Emre Erdem este profesor la Universitatea Sabanci, Departamentul de Știința Materialelor și Nanoinginerie (din 2023), unde conduce și Centrul de Excelență EFSUN pentru Suprafețe și Interfețe Funcționale. A obținut licența în științe la Universitatea din Ankara în 1998, urmată de un master (2001) și un doctorat (2006) la Universitatea din Leipzig. După cercetarea postdoctorală la Universitatea Tehnică din Darmstadt, a condus un grup de cercetare la Universitatea din Freiburg, finalizându-și abilitarea în 2017 cu lucrări de pionierat privind investigațiile spectroscopice ale nanomaterialelor funcționale. Expertiza științifică se conturează pe mai multe direcții de cercetare: Rezonanța Electronică de Spin, fotoluminescența și spectroscopia de impedanță, cu contribuții semnificative la înțelegerea defectelor punctuale din semiconductori și piezoelectrici. Cercetările sale actuale se concentrează pe materiale 2D, producția durabilă de carbon și proiectarea avansată a supercondensatorilor. Prof. Erdem a publicat peste 150 de lucrări, a susținut peste 50 de prezentări invitate la nivel mondial și este editor asociat al Scientific Reports. De asemenea, este bursier Mercator la Universitatea Tehnică din Darmstadt.

Obiectivele proiectului aliniate obiectivelor strategice ale PNRR și ale SNCISI 2022-2027
Proiectul iși propune să găsească soluții la provocările societale existente prin dezvoltarea și utilizarea tehnologiilor prietenoase cu mediul, pentru obținerea de dispozitive de stocare a energiei cu impact asupra calității vieții, creșterii productivității și competitivității, creării locurilor de muncă sustenabile. Astfel, obiectivul general al proiectului îl reprezintă dezvoltarea de noi materiale nanocompozite pe bază de structuri de carbon și semiconductori de oxizi metalici sau sulfuri metalice utilizate ca electrozi pentru SC în stare solidă, prin controlul și ajustarea morfologiei, defectelor, fenomenelor de interfață și proprietăților electrice. Ținta noilor dispozitive SC dezvoltate este să funcționeze la tensiuni mai mari de 3 V. Pentru atingerea obiecivului general sunt prevăzute 4 obiective științifice specifice: O1. Dezvoltarea de noi materiale compozite pe baza de structuri de carbon și semiconductori de oxizi metalici sau sulfuri metalice cu proprietăți funcționale țintite. O2. Caracterizarea avansată a defectelor de la suprafața și interfața materialelor de electrod utilizând tehnici spectroscopice moderne și influența acestora asupra proprietăților optice și electrice ale nanocompozitelor. O3. Fabricarea electrozilor pentru SC în stare solidă utilizând nanocompozitele dezvoltate. O4. Dezvoltarea de membrane de PVDF și PANI cu proprietăți electrice îmbunătățite și integrarea în dispozitive de SC.
Dintre indicatorii științifici atinși până în prezent amintim următorii: publicarea a 7 lucrări științifice Q1 și participarea la 6 conferințe internaționale cu prezentări orale sau de tip poster. De asemenea s-a obținut finanțarea pentru trei proiecte în domeniul proiectului și anume: un proiect pentru stimularea tinerelor echipe independente PN-IV-RU-SC-TE-2023-1, un proiect complex bilateral RO-Republica Moldova PN-IV-CEI-BIM-CRM-2024-1 și un proiect de tip M-ERA. NET Call 2024.

Nanomaterialele semiconductoare - promotori ai dezvoltării dispozitivelor de tip SC
O varietate de compuși ai metalelor tranziționale, și anume oxizi, sulfuri, nitruri și fosfuri, sunt utilizați ca materiale active pentru SC, deoarece prezența unor reacții redox reversibile conduce la creșterea densității de energie totale a dispozitivului. Oxizii metalelor tranziționale au fost considerați potențiali candidați pentru a fi utilizați ca electrozi în SC, datorită accesibilității, caracterului ecologic, versatilității și a altor caracteristici particulare. Dintre aceștia, nanostructurile de ZnO sau SnO2 sunt materiale promițătoare pentru materialele de electrod în SC datorită costului redus, densității energetice teoretice ridicate, stabilității bune și toxicității reduse. O alternativă la oxizii metalelor tranziționale o reprezintă sulfurile acestora (ZnS, MoS2). Electronegativitatea mai scăzută a sulfurilor și legăturile metal-sulfur mai slabe facilitează un transfer de electroni mai eficient și o flexibilitate mai mare, ceea ce le face o clasă promițătoare de materiale pentru electrozi in aplicațiile SC.
În acest proiect au fost abordate diferite strategii pentru creșterea performanțelor dispozitivelor de SC având ca și materiale de electrod oxizii și sulfurile metalelor tranziționale (ZnO, SnO2, ZnS, MoS2), cum ar fi modificarea morfologiei, a densității de defecte intrinseci/extrinseci și crearea de materiale compozite cu diferite structuri de carbon. Alegerea unei metode de sinteză versatile și modificarea țintită a parametrilor experimentali reprezintă factori importanți în obținerea caracteristicilor superioare.
Morfologia materialelor de electrod din SC are un impact semnificativ asupra performanței acestora, influențând porozitatea materialului și căile de difuzie a ionilor. Au fost sintetizate particule de diferite morfologii, cum ar fi fire, sfere, conuri, dovedindu-se că prin modularea morfologiei electrozilor, este posibil să se optimizeze proprietățile electrochimice, sporind densitatea energiei și eficiența generală. În plus, s-a demonstrat ca defectele, atât cele intrinseci, cât și cele extrinseci (ioni dopanți) pot influența semnificativ proprietățile fizice, chimice și electronice ale materialelor de electrod, afectând astfel performanța SC. Aceste defecte ajustează microstructura suprafeței și proprietățile electrochimice, cresc capacitatea specifică a SC prin furnizarea unui spațiu suplimentar pentru stocarea sarcinii, îmbunătățind proprietățile electronice și transportul ionic. De asemenea, defectele conduc la îmbunătățirea performanței electrochimice a SC și la modularea structurii electronice prin modificarea benzii interzise, îmbunătățind conductivitatea. Obținerea de nanostructuri compozite creează efecte sinergice atunci când sunt combinate cu alte materiale, cum ar fi: nitrura de carbon grafitică, oxidul de grafenă, oxidul de grafenă redus. Acest lucru duce la o cinetică îmbunătățită a transportului de sarcină și la o performanță generală crescută.

Pe lângă materialul de electrod un alt parametru important care influențează performanțele electrochimice ale dispozitivelor de tip SC este design-ul acestuia. Astfel, în cadrul atelierului de prototipuri al INCDTIM a fost proiectat și realizat un dispozitiv compact și ușor de utilizat, folosit pentru testarea performanțelor electrochimice ale materialelor obținute. Acesta este prezentat în Figura 2.

Impactul economic și social al proiectului
Pe lângă impactul științific, proiectul are un puternic impact economic și social. Astfel, SC au o durată de viață mult mai mare decât bateriile, ceea ce înseamnă mai puține înlocuiri și costuri reduse de întreținere pe termen lung în aplicațiile de stocare a energiei. Capacitatea lor de a livra rapid puteri ridicate le face utile în domenii precum frânarea regenerativă la vehicule și stabilizarea rețelelor electrice la întreruperi bruște de curent, contribuind la creșterea eficienței și la apariția unor noi avantaje economice. Chiar dacă, raportat la energia totală stocată, sunt în general mai costisitoare decât bateriile, SC devin o soluție rentabilă atunci când criteriile principale sunt densitatea de putere și longevitatea, nu densitatea energetică, așa cum se întâmplă în sistemele hibride de stocare. Totuși, costurile de fabricație pot fi ridicate, depinzând de materialele folosite și de nivelul de producție, însă cercetările actuale urmăresc diminuarea acestora prin utilizarea unor resurse mai accesibile și sustenabile, precum și prin optimizarea proceselor tehnologice. Prin capacitatea de a stoca și furniza energie provenită din surse regenerabile intermitente, SC susțin o alimentare mai stabilă și fiabilă, facilitând tranziția către un sistem energetic bazat pe resurse regenerabile și îmbunătățind accesul la energie. Reducerea dependenței de combustibilii fosili contribuie la scăderea emisiilor de gaze cu efect de seră și a poluării atmosferice, având beneficii directe asupra sănătății publice. Din perspectiva sustenabilității, SC se disting prin impactul ecologic redus, datorat duratei lor de viață extinse, cantității mai mici de deșeuri generate și posibilității de reciclare și reutilizare a materialelor. În plus, abilitatea lor de a funcționa eficient în timpul întreruperilor de curent asigură energie de rezervă pentru servicii critice, consolidând reziliența comunităților și stabilitatea infrastructurii.
Pe măsură ce industriile prioritizează eficiența energetică și sustenabilitatea, avantajele inerente ale SC în ceea ce privește stocarea și furnizarea de energie, durata de viață și performanța le poziționează ca și componente esențiale în tranziția către un viitor mai sustenabil.n