W projekcie biorą udział naukowcy i specjaliści w dziedzinie inżynierii materiałowej. Partnerzy wspólnie realizują badania w celu opracowania bardziej wydajnych, zrównoważonych technologii baterii zgodnie z potrzebami sektorowymi, dotyczącymi rozwiązań do wdrożenia w zrównoważonym łańcuchu wartości dla baterii nowej generacji.

Uczestnicy międzynarodowego Teamu:

Polska: Sieć Badawcza Łukasiewicz – PORT Polski Ośrodek Rozwoju Technologii  (https://www.lukasiewicz.port.org.pl/en/)

Alicja Bachmatiuk, Kierownik projektu, Dyrektor B+R

Sandeep Gorantla, Laboratorium Badań Struktury i Właściwości Materiałów

Andrii Bodnar, Grupa Badawcza Syntezy Zaawansowanych Materiałów

Magdalena Kiss-Arabasz, Laboratorium Badań Struktury i Właściwości Materiałów

Maria Zdończyk, Grupa Badawcza Syntezy Zaawansowanych Materiałów

Marta Fiedot-Toboła, Grupa Nadawcza Syntezy Zaawansowanych Materiałów

Syamsai Ravuvri, Grupa Badawcza Syntezy Zaawansowanych Materiałów

Norwegia:

Uniwersytet w Oslo Centre for Materials Science and Nanotechnology (SMN)

Anette E. Gunnæs, Prof. Departamentu Fizyki, SMN Kierownik Sekcji Fizyki Struktury

Sabrina Sartori, Prof. Departamentu Technologii Systemów, Liderka Sekcji Systemów Energetycznych

Calliopi Bazioti, St. Inżynier Fizyki Struktur, w Departamencie Fizyki SMN,

Phuong Dan Nguyen,  St. Inżynier Fizyki Struktur, w Departamencie Fizyki SMN,

SINTEF Industry Sustainable Energy

Spyros Diplas, Lider grupy badawczej Fizyki Materiałów

Martin F. Sunding, Pracownik badawczy w grupie Technologii Zrównoważonej Energii

Projekt jest realizowany w konsorcjum partnerów z Polski i Norwegii.

Na czym polega nowość koncepcji projektu i jakie jest znaczenie projektu dla światowych badań naukowych?

Wraz ze wzrostem standardów jakości życia codziennego i rosnącą cyfryzacją, rośnie również globalne zapotrzebowanie na energię. Akumulatory litowo-jonowe stanowią podstawę zasilania współczesnych inteligentnych urządzeń – IoT – Internet rzeczy.

Badania naukowe mające na celu opracowanie nowych materiałów do urządzeń magazynujących większe ilości energii oraz bezpieczniejszych dla środowiska to jedno z podstawowych podejść do zaspokojenia rosnących potrzeb społeczeństwa. Obecne wysiłki naukowców w dziedzinie tworzenia materiałów do magazynowania energii wyraźnie wskazują na zbliżający się postęp w rozwoju półprzewodnikowych akumulatorów (ASSB) jako najbardziej obiecującej technologii akumulatorów nowej generacji.

Badania nad nowymi materiałami anodowymi dla ASSB nabrały tempa po niedawnym odkryciu nowej klasy materiałów 2D w 2011 roku znanych jako MXenes. Stwierdzono, że mają one interesujące właściwości chemiczne, elektroniczne, nadprzewodzące, magnetyczne i optyczne.

Polsko-norweska grupa naukowców ma na celu opracowanie metod CVD do kontrolowanego wzrostu Mo2C, Ti2C i V2C oraz Cr2C MXenes. Zbadanie ich mechanizmów wzrostu CVD i zrozumienie procesów atomistycznych. Kluczową nowością jest próba zbadania in situ (w czasie rzeczywistym) ewolucji struktury atomowej w MXenes podczas transportu jonów litowych, gdy są one używane jako anoda w akumulatorze litowo-jonowym ASSB.

Koncepcyjny model baterii litowo-jonowej 2D MXene w całości opartej na półprzewodniku, zasilającej mikrochip – wykonanie artystyczne. Pokazano struktury atomowe dwuwarstwowej anody Mo2C MXene (po lewej), elektrolitu w stanie stałym Li7La3Zr2O12 (w środku), katody LiCoO2 (po prawej) bez typowych styków końcowych baterii.

Model struktury atomowej ukazujący transport jonów litu pomiędzy warstwami materiału Mxene (Mo2C) stosowanego jako anoda w akumulatorze Li-ion (jony litu – zielony, atomy molibdenu – niebieski i atomy węgla – czarny).

Całkowicie półprzewodnikowe akumulatory litowo-jonowe są lepsze w porównaniu z obecnymi akumulatorami litowo-jonowymi (LIB) pod następującymi względami:

• mają bardziej bezpieczny skład chemiczny,
• są kompaktowe,
• mają większą pojemność,
• szybciej się ładują,
• działają efektywnie w wyższych temperaturach w porównaniu do obecnie używanych akumulatorów litowo-jonowych.

Partnerzy przeprowadzą wspólnie eksperymenty aby zbadać i zasymulować rzeczywiste warunki pracy baterii z wykorzystaniem nowoczesnych skaningowych i transmisyjnych mikroskopów elektronowych. Takie zrozumienie procesów na poziomie atomowym pozwoli na lepsze zaprojektowanie i rozwój nowych materiałów z wykorzystaniem związków litu, aby dało się w pełni wykorzystać ich możliwości w celach ładowania i rozładowania akumulatorów. Pomyślna realizacja projektu doprowadzi do weryfikacji nowej koncepcji baterii opartych na strukturach 2D do magazynowania energii.

Prezentacja pierwszych rezultatów projektu będzie miała miejsce w trakcie Symposium on Advanced Technologies and Materials /ATAM 2022/  6 -9 września 2022.

Rejestracja: https://atam.port.org.pl/

@PORT_Wroclaw

Wizyta polskich naukowców na UiO w Norwegii

Wymiana naukowa | Wizyta w Norwegii 2024

Naukowcy z Polski i Norwegii przeprowadzili innowacyjne eksperymenty in-situ TEM na wcześniej otrzymanych w Polsce kryształach MXene. Eksperymenty polegały na symulacji procesów ładowania I rozładowania baterii z elektrolitem stałym oraz jednoczesnej obserwacji zmian strukturalnych zachodzących w katodzie, anodzie oraz w elektrolicie. Eksperymenty zostały przeprowadzone w laboratoriach norweskich partnerów w UiO w Oslo.

Podsumowanie projektu GRIEG. Spotkanie polskich i norweskich partnerów w PORT Łukasiewicz

Sesja końcowa | Wrocław 2024

Naukowcy z Polski i Norwegii, współpracujący w ramach projektu 2DSSB GRIEG, wzięli udział w trzydniowych dyskusjach naukowych dotyczących wyników projektu oraz przyszłych perspektyw współpracy. Podczas tej wspólnej wymiany doświadczeń dzieliliśmy się naszymi wynikami I doświadczeniami zdobytymi podczas realizacji projektu.

Promocja projektu na międzynarowowej konferencji ICL-2023 we Francji

Naukowa promocja projektu | konferencja naukowa ICL-2023

Badaczka z naszego zespołu, mgr Maria Zdończyk, wzięła udział w 20. Międzynarodowej Konferencji na Temat Luminescencji w Paryżu, we Francji. Przedstawiła ona koncepcję baterii stałoelektrolitowych opartych na MXene oraz inne materiały hybrydowe opracowane w Łukasiewicz PORT szerszej społeczności naukowej.

Popularnonaukowa prezentacja wyników projektu GRIEG 2DSSB w ramach Pikniku Naukowego w PORT Łukasiewicz

Popularnonaukowa promocja projektu | Przedstawienie wyników społeczności lokalnej 2023We wrześniu na kampusie Łukasiewicz – PORT odbyło się spotkanie naukowe z lokalną społecznością w ramach Pikniku Naukowego.

Podczas wydarzenia członkowie zespołu przedstawili odwiedzającym wyniki uzyskane podczas realizacji projektu 2DSSB GRIEG, wprowadzili młodych jak i starszych miłośników nauki w świat mikroskopii elektronowej i zasady działania baterii ze stałym elektrolitem. Pokazy i prezentacje zaowocowały zapaleniem iskry ciekawości wśród społeczności odwiedzającej nasze laboratorium. To wspólne spotkanie świata nauki z lokalną społecznością z pozwoliło na upowszechnienie podstawowej wiedzy na temat materiałów wykorzystywanych w bateriach i mikroskopach elektronowych.

Projekt GRIEG 2DSSB przedstawiono studentom Politechniki Wrocławskiej w ramach warsztatów w PORT Łukasiewicz

Popularno-naukowa promocja projektu | Warsztaty ze studentami  2023

Zespół ekspertów Łukasiewicz PORT przedstawił gościom wyniki projektu 2D SSB GRIEG oraz zabrał ich w podróż po nano-świecie, patrząc „oczami” mikroskopu elektronowego. Na warsztatach studencie dowiedzieli się jak zbudowane są i jak otrzymuje się węgliki metali przejściowych (Mxene) oraz jak można wykorzystać mikroskopy elektronowe do badania tych struktur i nie tylko.  Dodatkowo studenci zwiedzili laboratoria wyposażone w najnowocześniejsze mikroskopy TEM i SEM i praktycznie przekonali się o ich możliwościach.

Zainspirowaliśmy kolejne pokolenie naukowców! 🙌🌟

Wymiana doświadczeń pomiędzy partnerami Polsko- Norweskimi. Wizyta w laboratoriach partnerów naukowych w  Norwegii

Wymiana naukowa | Wizyta w Oslo, Norwegia 2022

Stażyści podoktorscy, dr  inż. Paweł Wróbel I dr SyamSai Ravuri z Łukasiewicz PORT, odwiedzili laboratoria norweskich partnerów z UiO I SINTEF w Oslo. W trakcie wizyty razem z Dr. Calliopi Bazioti przeprowadzili eksperymenty dotyczące transferu nanowarstw z podłoża, na którym otrzymano materiał na inne podłożę na przykład siatkę TEM.

Promocja projektu na prestiżowej konerencji , MRS w Bostonie, USA 2022

Naukowa promocja projektu| konferencja naukowa MRS FALL Metting 2022

Post-doc dr SyamSai Rauvuri wziął udzial w 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit (27.11-02.12.2022) w Bostonie, USA. W ramach konferencji dr Rauvuri zaprezentował wyniki uzyskane w ramach projektu 2DSSB- GRIEG międzynarodowej społeczności naukowej ścisle związanej z węglikami metali przejściowych (Mxene) oraz materiałoznastwem.

Ustna prezentacja na sympozjum ATAM 2022

Naukowa promocja projektu| ATAM-2022 sympozjum

Nowo zatrudniony post-doc dr SyamSai Ravuri przedstawił zarówno project 2D-SSB GRIEG jak I wyniki uzyskane w ramach projektu w formię krótkieo wystąpienia społeczności związanej z nauką I  przemysłem, obecnej na sympozjum ATAM w Łukasiewicz PORT Wrocławiu.

Badacze odwiedzają laboratoria w Polscę oraz w Norwegii i wspólnie przeprowadzają pionierskie badania

Wymiana naukowa| Wrocław, Polska- Oslo, Norwegia 2021

W ramach wizyty w laboratoriach PORT we Wrocławiu (18.10-29.10 2021), dr Calliopi Brazoti i dr Sandeep Gorantla przygotowali bardzo cienkie wycinki otrzymanych Mxene (lamele) z wykożystaniem techniki FIB-SEM. Próbki te zostały wykożystane przez dr Bazioti  I dr Gorantle do przeprowadzenia pionierskich obserwacji In-Situ w mikroskopie TEM na Uniwersytecie Oslo w Norwegii.

Badania nad wzrostem alfa-Mo₂C pomyślnie opublikowania w recenzowanym czasopiśmie naukowym IOP-Nanotechnology

Nasze badania dotyczyły optymalizacji procesu wzrostu Mo₂C (MXene) przy pomocy chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Wyniki badań pozwoliły uzyskać lepsze zrozumienie mechanizmu wzrostu tego typu kryształów, co doprowadziło do publikacji w czasopiśmie IOP Nanotechnology (doi: 10.1088/1361-6528/ad1c97). Wyniki opublikowane w wyżej wymienionym czasopiśmie dotyczyły prostej modyfikacji procesu CVD stosowanego do tej pory. Nasz zespół zastosował tzw. „holding time” w temperaturze 1095°C. Zastosowanie tej modyfikacji miało bezpośredni wpływ na stężenie atomów Mo na powierzchni stopionej miedzi, a co za tym idzie, na zwiększony stopień pokrycia podłoża zastosowanego w trakcie syntezy. Udało nam się pokryć około 50% powierzchni podłoża kryształami Mo₂C. Dodatkowo zaobserwowaliśmy zwiększoną tendencję kryształów do formowania płatków o szerokości przekraczającej 170 μm. Informacje uzyskane dzięki przeprowadzonym badaniom rzucają światło na kluczowe aspekty i ograniczenia, które należy rozpatrzyć w trakcie dalszych badań nad wzrostem niefunkcjonalizowanych MXenów za pomocą CVD.

Opracowanie skutecznej metodologii przygotowania lameli FIB dla mikrorozmiarowej baterii ze stałym elektrolitem

W ramach projektu 2D SSB GRIEG z powodzeniem opracowaliśmy metodologię przygotowania lameli baterii ze stałym elektrolitem na specjalistycznych E-Chipach przy użyciu FIB-SEM. Kryształy Mo₂C uzyskane w trakcie trwania projektu mają grubość zaledwie kilkuset nanometrów, a zastosowanie ich jako anod w takiej lameli było wymagającym i skomplikowanym zadaniem. Skuteczna optymalizacja procesu doprowadziła do przeprowadzenia wstępnych badań baterii przygotowanych przez nas na Uniwersytecie w Oslo, wykorzystując nowatorską metodologię przepuszczania ładunku elektrycznego z równoczesnym obserwowaniem nanostruktury w trakcie pomiarów in-situ TEM. Wstępne badania wykazały sensowność przeprowadzania takich badań na bardzo cienkich warstwach kryształów 2D służących jako materiał anodowy w bateriach.

Project research achieved successful CVD synthesis of V, Cr carbides which is not widely explored

Znaczącym osiągnięciem projektu 2D SSB GRIEG było opracowanie zoptymalizowanej metodologii otrzymywania węglików metali przejściowych poprzez nakładanie na siebie folii za pomocą procesu chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Badania nad wzrostem kryształów faz węglików, takich jak VC i Cr₃C₂, plasują nasz zespół wśród pionierów w dziedzinie wzrostu TMC/MXene za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Nasz zespół opracował ogólny, zoptymalizowany sposób postępowania, znajdujący zastosowanie do otrzymywania węglików innych metali przejściowych, który oferuje niezawodną i powtarzalną metodę syntezy wysokiej jakości kryształów. Badania naszego zespołu otwierają nowe możliwości otrzymywania tych stosunkowo młodych nanomateriałów.

Figure 1. Przykładowe mapy EDX pierwiastków fazy VC uzyskanej w ramach projektu 2DSSB GRIEG

Popularyzacja nauki

Projekt 2D SSB GRIEG nie skupiał się jedynie na aspektach naukowych. Promocja nauki była istotnym elementem misji 2D SSB; dlatego jednym z cennych osiągnięć dla społeczeństwa były wydarzenia edukacyjne, które zorganizowaliśmy dla młodych naukowców i lokalnej społeczności Wrocławia. Z powodzeniem wprowadziliśmy ich w zagadnienia przyszłości związane z energią, takie jak baterie ze stałym elektrolitem, MXeny jako nowy członek rodziny nanomateriałów oraz zastosowanie mikroskopii elektronowej w nanotechnologii i nanonauce. Nasz zespół również dzielił się wynikami projektu GRIEG z mieszkańcami Wrocławia. Te wydarzenia nie tylko były pouczające dla społeczeństwa i naszych ekspertów, lecz także przyczyniły się do podnoszenia świadomości naukowej wśród ogółu społeczeństwa oraz rozbudziły ciekawość i zainteresowanie dzieci badaniami naukowymi oraz najnowszymi trendami we współczesnej nauce.