Węgle twarde jako nowe materiały węglowe dla elektrod ujemnych do ogniw sodowo-jonowych

Ze względu na wysoką dostępność i niską cenę sodu, ogniwa sodowo-jonowe są obiecującymi zamiennikami obecnie szeroko wykorzystywanych ogniw litowo-jonowych. W ogniwach sodowych trudniej jest jednak zastosować powszechny w ogniwach litowych grafit, gdyż energia interkalacji grafitu jonami sodu jest większa niż dla litu, zaś Na+ ma większy promień jonowy niż Li+. Jako elektrody ujemne w ogniwach sodowych stosuje się więc materiały węglowe o większym nieuporządkowaniu struktury krystalicznej, takie jak węgle twarde, uzyskiwane podczas karbonizacji materiałów polimerowych, zarówno naturalnych, jak i syntetycznych. W mojej pracy badałam właściwości elektrochemiczne, morfologię i strukturę krystaliczną zsyntezowanych przeze mnie węgli twardych otrzymywanych z kwasów poliakrylowych. Na początku porównywałam właściwości trzech materiałów otrzymanych z polimerów o różnych masach cząsteczkowych. Spośród nich, najkorzystniejsze właściwości wykazał węgiel twardy otrzymany z polimeru o masie cząsteczkowej 450 kDa. W kolejnym etapie zbadałam więc, jak zmiana tempa wzrostu temperatury wpływa na właściwości otrzymanego z tego polimeru materiału. Największe pojemności właściwe oraz najwyższą wydajność reakcji uzyskałam dla najwolniejszej szybkości ogrzewania polimeru do osiągnięcia temperatury karbonizacji. W pracy opisałam także, że pastylkowanie polimeru przed procesem karbonizacji nie ma znaczącego wpływu na zachowanie elektrochemiczne węgla twardego. Sprawdziłam też, że w zastosowanych układach pomiarowych na wynik nie wpływa znacząco zmiana spoiwa polimerowego wykorzystanego do przytwierdzania składników elektrody do kolektora prądowego przy produkcji warstwy. Zsyntezowane materiały zostały poddane badaniu dyfraktomerii proszkowej, co pozwoliło mi opisać ich strukturę krystaliczną. Morfologia uzyskanych węgli twardych była obrazowana z pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Pozwoliło to na oszacowanie wielkości ziaren materiałów oraz średnicy obecnych w nich porów. Właściwości elektrochemiczne badałam w układach trójelektrodowych typu Swagelok®, gdzie rolę elektrody odniesienia i pomocniczej pełnił metaliczny sód. Wykonywałam pomiary chronopotencjometryczne, badając zachowania elektrod przy wysokich prądach rozładowania oraz ich odporność cykliczną. W celu zbadania kinetyki reakcji elektrodowych, dla części materiałów wykonałam także pomiary woltamperometrii cyklicznej. Zastosowanie uzyskanych przeze mnie materiałów w technologii ogniw sodowych może w znacznym stopniu przybliżyć moment komercjalizacji i wprowadzenia układów sodowo-jonowych na rynek bateryjny.

-