NKFIH_2019-2.1.13-TÉT_IN-2020-00036
Projekt szám: 2019-2.1.13-TÉT_IN-2020-00036
A projekt a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH) által, az NKFI Alapból nyújtott támogatásból, a 2019-2.1.13-TÉT_IN pályázati program finanszírozásában valósul meg.
Projektvezető
HUN-REN Természettudományi Kutatóközpont (HUN-REN TTK)
Anyag és Környezetkémiai Intézet (AKI)
1117 Budapest
Magyar tudósok körútja 2.
Indiai partner
Puducherry Egyetem
Tamil Nadu, India
HBL Power Systems Ltd.
Hyderabad, Telangana, India
A projekt futamideje: 36 hónap
A projekt kezdete: 2021. január 1.
A projekt vége: 2023. december 31.
A magyar résztvevők alkotta konzorcium támogatása: 45 225 390 Ft
A TTK támogatása (100%): 45 225 390 Ft
A projekt célja polimer és kerámia Li-ion vezető anyagok kombinálásával előállított hibrid ionvezető membrán felhasználásával újgenerációs Li-ion akkumulátor prototípusának kifejlesztése és vizsgálata
A projekt összefoglalója
A Li-ion akkumulátorok közismertek és napjainkra széles körben elterjedt, a lakosság, valamint az ipar számára nélkülözhetetlen elektrokémiai energiatárolási eljárásnak számít. A technológia fontosságának és relevanciájának elismerésére a 2019. évi Kémiai Nobel Díjat a Li-ion akkumulátorok kifejlesztéséért kapták világhírű kutatók. A Li-ion technológia térhódításának magyarázata, hogy ezen akkumulátor cellák fajlagos energiatartalma sokszorosa az egyéb ismert szekunder energiatároló rendszerekének, pl. Pb-sav, NiMH, vagy NiCd akkumulátoroknak. Azonban ezek a nagyhatékonyságú Li-ion rendszerek is megújításra és továbbfejlesztésre szorulnak, mely leginkább az akkumulátorcellák biztonságát, energiasűrűségük további növelését érinti. A mai Li-ion akkumulátorokkal kapcsolatos kutatások egyik fő iránya, hogy sokkal biztonságosabb, magas ciklusélettartamú és nagy energiasűrűségű szilárdtest Li-ion akkumulátorokat fejlesszenek ki a kutatók, pl. elektromobilitási alkalmazásokhoz. Kutatásaink során prototípus szilárdtest Li-S akkumulátort tervezünk kifejleszteni, melynek energiahatékonysága, biztonságossága és ciklusstabilitása magasabb, mint a hagyományos Li-ion akkumulátoroknak. Az általunk fejlesztendő újgenerációs Li-S akkumulátorcellák fő komponense a projekt keretében kialakítandó polimer/kerámia kompozit Li-ion vezető elektrolit. A kifejlesztendő hibrid anyag a polimer és a kerámia ionvezetők kombinálása révén integrálja a polimerek egyszerű és gazdaságos feldolgozásának lehetőségét a kerámia elektrolit kiváló elektrokémiai sajátságaival. A kifejlesztett hibrid elektrolit kétfunkciós membránként szolgál a prototípus Li-S akkumulátorokban. Egyfelől hordozója ez egész akkumulátor cellának, másfelől pedig betölti a Li-ion vezető elektrolit és az elektromos szeparátor szerepét is. Várakozásainknak megfelelően a hibrid Li-ion elektrolit membránt felhasználva hosszú ciklusélettartamú, biztonságos és elektrokémiai értelemben hatékony akkumulátorcellát tudunk majd kialakítani.
A konzorcium vezetője a HUN-REN Természettudományi Kutatóközpont. A projekt aktív résztvevője a HUN-REN TTK Anyag- és Környezetkémiai Szilárdtest Energiatárolók Kutatócsoportja, mely 4. generációs Li-ion akkumulátorok (jellemzően szilárdtest és konverziós elektródok) és poszt Li-ion (Na-ion, Mg-ion) akkumulátorok funkcionális anyaginak fejlesztésével foglalkozik. Kutatásaik fókuszában az új típusú Li-ion vezető szilárdtest elektrolitok és kompozit anyagok, valamint elektród aktív anyagok fejlesztése áll. A projekt vezetője Kun Róbert, PhD, habil. tudományos főmunkatárs.
Az Indiai partnerek. A Pondicherry Egyetem 1985-ös megalakulása óta továbbra is India déli részén található vezető egyetem, amely a minőségi oktatásra és a magas színvonalú innovatív kutatásra összpontosít a tudományágak széles skáláján. A szakterületük határterületein végzett kutatás mellett az egyetem oktatói különös erőfeszítéseket tesznek annak érdekében, hogy az ország vezető egyetemi intézményeivel egyenrangú tudományos képzést nyújtsanak az egyetemi, főiskolai és doktori képzés szintjén. Az egyetem oktatói nemzeti és nemzetközi hírű kutatók.
A HBL Power Systems Ltd. egy 1977 óta működő, tőzsdén jegyzett indiai vállalat, amely műszaki termékekre és szolgáltatásokra összpontosít. Kezdeti üzleti stratégiai céljük volt, hogy azonosítsák azokat a technológiai hiányosságokat Indiában, amelyeket a vállalat „hazai erőfeszítésekkel” betölthet. Az első kiválasztott és sikeresen kifejlesztett termékek a repülőgép-akkumulátorok voltak – ami végül ahhoz vezetett, hogy a HBL a világ legszélesebb körű speciális akkumulátor-kínálatát kínálja. A vállalat olyan új üzletágakba és piacokra lépett be, amelyek az akkumulátoraikat használják, mint például az ipari elektronika, a védelmi elektronika és a vasúti elektronikus jelzőrendszerek.
Az indai partnerek részvétele a kvázi-szilárdtest Li-ion akkumulátor fejlesztési projektben tudományos és üzleti szempontból is releváns. A Pondicherry Egyetemen aktív professzor Ramaswami Murugan (azóta az Amerikai Egyesült Államokban aktív Quantumscape start-up vállalatnál fontos fejlesztői pozíciót betöltő) és korábbi kollégája Prof. Werner Weppner (Univ. Kiel, Németország) nevéhez fűződik a magas ionvezetéssel rendelkező köbös gránát kristályszerkezettel rendelkező LLZO (Li7La3Zr2O12) ionvezető kerámia kidolgozása, felfedezése. Ebben a témában Prof. Murugan és csoportja elvitathatatlan érdemeket és nemzetközi reputációt ért el. Jelen kutatási projektben Prof. Murugan és munkatársai a kifejlesztendő újgenerációs Li-ion akkumulátorban alkalmazott kulcskomponens, a hibrid kvázi-szilárdtest elektrolit kerámia komponensének fejlesztését és vizsgálatát végzik. Ezen túlmenően az általuk kifejlesztett eljárással pozitív elektród aktív anyagokat (szén/kén nanokompozitok) készítenek, melyeket a kísérleti akkumulátorba, mint katódaktív anyagot fogjuk integrálni. A HBL Power Systems Ltd. indiai vállalat részvétele a projektben segíti a tudományos alapkutatási munkák kormányzását abban az értelemben, hogy a kifejlesztettet akkumulátorok minél hamarabb eljuthassanak a gazdasági hasznosítás állapotába és a kifejlesztettet újgenerációs akkumulátor valóban gazdasági hasznosításra tarthasson számot.
A céljainknak megfelelően a partnerek eredményeiket rangos nemzetközi folyóiratokban publikálják, valamint hazai és nemzetközi konferenciákon mutatják be.
Projekt események, tájékoztatók
- Beruházás
A megvalósult beruházás tárgya a megvalósítás helyszínén (HUN-REN TTK) rendelkezésre álló BioLogic VMP-300 elektrokémiai mérőállomás fejlesztése további 4 db mérési csatornával. A fejlesztéssel az addig rendelkezésre álló 1 analízis/mérési alkalom 4 mérés/mérési alkalom-ra növekedett, mellyel a projekt időkihasználtsága és hatékonysága jelentősen növelhetővé vált. Az újonnan beépítésre került csatornákkal 4 minta (akkumulátor cella, vagy szilárdtest elektrolitminta) szimultán analízise vált kivitelezhetővé.
- Előadások és poszterek
A Covid világjárvány elvonulása után az eredményeket szóbeli előadások (meghívott ”invited” előadások) formájában mutatták be az alábbi eseményeken:
Copolymer Li-ion electrolytes for new generation Li-ion batteries; The 4th World Conference on Solid Electrolytes for Advanced Applications: Garnets and Competitors (https://www.ntnu.edu/llzo4wc ), 2023. szeptember 4-7., Tromsø, Norvégia
Akkumulátorok fejlesztési trendjei, gyártás és újrahasznosítás; ENERGOexpo2024 Nemzetközi Energetikai Szakkiállítás és Konferencia (https://www.energoexpo.hu/ ), 2024. április 18-19., Debrecen
Supercritical CO2 assisted synthesis of sulfur/rGO composite cathodes for Li-S batteries; 14th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Systems, CMCEE14, (https://akcongress.com/cmcee14/ ), 2024. augusztus 18-22., Budapest Kongresszusi Központ, Budapest
- Publikációk
Derek Ovc-Okene, Angamuthu Gnanavel, Ákos Szabó, Györgyi Szarka, Béla Iván, Robert Kun; Investigation of poly(3,6-dioxa-1,8-octane-dithiol)-based organosulfur polymer as the positive electrode material in rechargeable Li-S battery, Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 929, 2023, https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.117113.
Ákos Szabó, Denis Ershov, Ágnes Ábrahám, Éva Kiss, Béla Iván, Györgyi Szarka, Tamás Pajkossy, Ilona Felhősi, Attila Domján, Robert Kun; Investigation of electrochemical performance of non-ionic disordered block-copolymer-type dry solid polymer electrolytes for new-generation Li-ion battery applications; kézirat közlésre előkészítve
Derek Ovc-Okene, Ákos Szabó, Györgyi Szarka, Ágnes Ábrahám, Éva Kiss, Béla Iván, Róbert Kun; Investigation of the electrochemical performance of Poly(3,6-dioxa-1,8-octanedithiol)-type polymers for solid state Li-ion battery electrolytes; kézirat közlésre előkészítve
Ákos Szabó, Béla Iván, Aiman Aitkazina, Swathi Panduragan, Arun Prasath, Ramaswami Murugan, Sreejith OV, Robert Kun; Electrochemical Performance of Composite Electrolytes Based on Amphiphilic ABA-type PMMA-b-PPEGMA- b-PMMA Triblock Copolymer and Al-LLZO Garnet for High Energy Density Lithium Metal Batteries; kézirat közlésre előkészítve