ΤΟ ΕΡΓΟ

Αντικείμενο Έργου ΜπαΝαΦυ (BaNaNa)

Τα τελευταία χρόνια, αν και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Lithium Ion Batteries, LIBs) έχουν καθιερωθεί ως βασικά μέσα αποθήκευσης της ενέργειας με πλήθος εφαρμογών, κρίνεται επιτακτική η εξεύρεση εναλλακτικής λύσης λόγω του υψηλού και -όπως προβλέπεται- συνεχώς αυξανόμενου κόστους του λιθίου, αλλά και ζητημάτων ασφαλείας. Ανάμεσα στις περισσότερο αναπτυσσόμενες επιλογές βρίσκονται οι μπαταρίες ιόντων νατρίου (Sodium Ion Batteries, SIBs). Τόσο η χρήση του νατρίου, με παρόμοιες χημικές ιδιότητες με αυτές του λιθίου (με χαμηλό κόστος στη μορφή των ιόντων), το οποίο βρίσκεται σε μεγάλη αφθονία στη φύση, όσο και η εξαιρετική ηλεκτροχημική συμπεριφορά που επιδεικνύουν οι συγκεκριμένες διατάξεις, καθιστούν τις SIBs ως ένα φθηνό και αποδοτικό μέσο αποθήκευσης της ενέργειας.
Ωστόσο, λόγω της μη ικανοποιητικής πυκνότητας ενέργειας που προκύπτει από το χαμηλό δυναμικό αναγωγής του νατρίου (-2.71 V ως προς το κανονικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου) σε συνδυασμό με το μεγαλύτερο βάρος του, η έρευνα προσανατολίζεται στην συνεχή εύρεση νέων υλικών. Οι πιο σημαντικές άνοδοι που έχουν μελετηθεί για την αποθήκευση του νατρίου, συμπεριλαμβάνουν κυρίως ανθρακούχα υλικά (σκληρός άνθρακας (ανθρακίτης) και ενώσεις που σχηματίζουν κράμα με το νάτριο. Σε αντίθεση με τις LIBs, ο γραφίτης δεν επιλέγεται ως άνοδος στις SIBs καθώς η εισαγωγή του νατρίου στη δομή του δεν ευνοείται θερμοδυναμικά, εξαιτίας της μεγαλύτερης ιοντικής ακτίνας του Na+ σε σχέση με αυτή του Li+ , οδηγώντας σε σημαντική μείωση της χωρητικότητας
Από τα παραπάνω υλικά, ο σκληρός άνθρακας, ο οποίος δεν γραφιτοποιείται, είναι το πιο συνηθισμένο ανοδικό υλικό, καθώς αποτελείται από φύλλα γραφενίου με υψηλή αταξία στη διάταξή τους (highly disordered) τα οποία αφήνουν μεγαλύτερα κενά ανάμεσά τους και ικανό μικροπορώδες για την είσοδο του νατρίου στο πλέγμα. Ο εμπορικός σκληρός άνθρακας παράγεται συνήθως από ορυκτές πρώτες ύλες π.χ φαινολικές ρητίνες, προσδίδοντας συνεπώς αρνητικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα στην εφαρμογή, ενώ παράλληλα είναι τρεις φορές ακριβότερος από τον εμπορικό γραφίτη που χρησιμοποιείται στις LIBs, ανεβάζοντας κατά πολύ το συνολικό κόστος κατασκευής της μπαταρίας.
Τα βιοαπανθρακώματα (biochars) προερχόμενα από την πυρόλυση της ευρέως διαθέσιμης και φθηνής λιγνοκυτταρικής βιομάζας (κελύφη διαφόρων ξηρών καρπών, φλούδες και κουκούτσια φρούτων αλλά και ο καλαμοειδής βλαστός ριζωματικών φυτών όπως το καλαμπόκι, το μπαμπού, το στάχυ και το ζαχαροκάλαμο) αποτελούν μια υψηλής προστιθέμενης ενεργειακής αξίας εφαρμογή. Στην ίδια συνομοταξία ανήκει και το κοινό καλάμι (Arundo donax), μία πλούσια πηγή λιγνοκυτταρικής αυτοφυούς βιομάζας το οποίο μπορεί να δώσει βιοαπανθράκωμα ως ανοδικό υλικό, και πέρα από την υποσχόμενη ηλεκτροχημική συμπεριφορά τους (ανταγωνιστική του εμπορικού άνθρακα), να προσφέρει σημαντικά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη (βιώσιμη ενεργειακή λύση).

Στόχοι Έργου

Κύριος στόχος του έργου ΜπαΝαΦυ (BaNaNa) είναι η ανάπτυξη καινοτόμων υλικών που θα προκύψουν από ανανεώσιμη βιομάζα (καλάμια) και θα χρησιμοποιηθούν ως ανοδικά ηλεκτρόδια σε νέας γενιάς μπαταρίες ιόντων νατρίου.

Πιο συγκεκριμένα:

θα μελετηθεί η παραγωγή του βιοαπανθρακώματος από καλάμια μέσω διεργασιών πυρόλυσης ή/και υδροθερμικής κατεργασίας (Carbon Activation)
θα γίνει χημική τροποποίηση των βιοαπανθρακωμάτων (Carbon Functionalization)
θα μελετηθούν συγκριτικά εμπορικός σκληρός άνθρακας (cellulose hard carbon) αλλά και γραφενικές δομές, οι οποίες θα τροποποιηθούν χημικά
θα γίνει υπολογιστική μελέτη των δομών άνθρακα και της αλληλεπίδρασής τους με τα ιόντα νατρίου
θα γίνει λεπτομερής φυσικοχημικός χαρακτηρισμός
θα παρασκευαστούν ανοδικά ηλεκτρόδια SIB, στοχεύοντας αποδόσεις Coulomb >80%, με πρώτη αντιστρεπτή χωρητικότητα >260 mAh/g, και σταθερότητα σε κύκλους φόρτισης/αποφόρτισης (>90% για >200 κύκλους)
Θα γίνει κλιμάκωση της σύνθεσης των πιο υποσχόμενων υλικών και θα κατασκευστεί πρότυπη SIB (>25 cm2)

Ενότητες Εργασίας

Το έργο ΜπαΝαΦυ (BaNaNa) είναι οργανωμένο σε:

Πέντε (5) ενότητες εργασίας (ΕΕ)
Έντεκα (11) δραστηριότητες
Δέκα (10) παραδοτέα
Πέντε (5) ορόσημα

Προσέγγιση Έργου

Η πρώτη ύλη που θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή του βιοαπανθρακώματος είναι το κοινό καλάμι. Αφού πραγματοποιηθεί το πρώτο στάδιο της συγκομιδής κατάλληλης ωρίμανσης πρώτης ύλης, ακολουθεί το δεύτερο στάδιο της προ-επεξεργασίας με τεμαχισμό, πλύσιμο, ξήρανση, κονιορτοποίηση και διαχωρισμό των σωματιδίων με κοσκίνιση. Το τρίτο στάδιο είναι η παραγωγή και ενεργοποίηση του βιοαπανθρακώματος. Το τέταρτο στάδιο περιλαμβάνει τη βελτίωση των ιδιοτήτων του βιοαπανθρακώματος ώστε να ενισχυθεί σε σημαντικό βαθμό η ηλεκτροχημική τους απόδοση ως ηλεκτρόδια ανόδου στις μπαταρίες ιόντων Na (EE1).
Παράλληλα θα παρασκευαστούν τρισδιάστατες πορώδεις γραφενικές δομές (graphene aerogels) ξεκινώντας από οξείδιο γραφενίου, οι οποίες και θα τροποποιηθούν χημικά με ανάλογη προς τα βιοαπανθρακώματα μέθοδο ώστε να εμπλουτιστούν σε άζωτο (EE3).
Τα υλικά που θα προκύψουν από τα παραπάνω στάδια, θα χαρακτηριστούν λεπτομερώς με μια ευρεία γκάμα αναλυτικών τεχνικών διαθέσιμων στο ΙΕΧΜΗ και στο ΤΕΥ, έτσι ώστε να ληφθούν απαραίτητες πληροφορίες για τις φυσικοχημικές ιδιότητες και τη στοιχειακή ανάλυση της πρόδρομης ένωσης της βιομάζας, αλλά και εν συνεχεία για τα ενεργοποιημένα και τροποιημένα βιοαπανθρακώματα (ΕΕ2).
Η υπολογιστική μελέτη θα εστιάσει σε νανουλικά μικρών διαστάσεων (1-2 nm) που θα μελετηθούν με την υψηλής ακρίβειας Density Functional Theory (DFT), αλλά και σε μεγαλύτερα νανοσωματίδια (2-5nm) που θα μελετηθούν με εμπειρικά δυναμικά αλληλεπίδρασης και μοριακή δυναμική (MD) (ΕΕ2).
Ένας σημαντικός ερευνητικός άξονας του έργου αφορά την κατασκευή των ηλεκτροδίων από τα διαφορετικά βιοαπανθρακώματα και τη συναρμολόγηση του ηλεκτροχημικού κελιού (ΕΕ5), στο οποίο θα πραγματοποιηθούν οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις (ΕΕ4).

Η κατασκευή του ανοδικού ηλεκτροδίου, θα βασιστεί σε προηγούμενες μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο του ΤΕΥ και αφορούν, είτε ανοδικά, είτε καθοδικά ηλεκτρόδια. Η τεχνική με την οποία θα επιχειρηθεί η κατασκευή των ηλεκτροδίων σε μεγαλύτερη κλίμακα της τάξης των 50x50 mm ή και μεγαλύτερες, ανάλογα με την συμπεριφορά των υλικών (AΔAMANT), είναι αυτή της εναπόθεσης λεπτής επίστρωσης με χρήση διάταξης Doctor Blade. Για το σκοπό αυτό θα χρησιμοποιηθεί μια ημιαυτόματη μονάδα με δυνατότητα επίστρωσης ελεγχόμενου πάχους. Τα ηλεκτρόδια που θα κατασκευαστούν θα χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή πρωτότυπου ηλεκτροχημικού κελιού τύπου pouch. Βάση των αποτελεσμάτων των δοκιμών και των μετρήσεων που θα πραγματοποιηθούν θα γίνει εκτίμηση της απόδοσης των κελιών σε ένα ολοκληρωμένο προϊόν (συστοιχία).