Akadēmiskais centrs
2024. gada 12. septembrī, plkst. 14.00 Latvijas Universitātes (LU) Ķīmijas zinātņu nozares promocijas padomes atklātā sēdē Dabaszinātņu Akadēmiskajā centrā Rīgā, Jelgavas ielā 1, 217. auditorijā VITĀLIJS LAZARENKO aizstāvēs promocijas darbu par tēmu“Bi2Se3 heterostruktūru anodu elektroķīmiskā izpēte litija un nātrija jonu baterijās” zinātnes doktora grāda (Ph. D.) iegūšanai dabaszinātnēs.
Recenzenti: Dr.chem. Agris Bērziņš (Latvijas Universitāte, Ķīmijas zinātnes nozares promocijas padomes recenzents), Dr.chem. Baiba Turovska (Latvijas Organiskās sintēzes institūts), Habil. Dr. Arūnas Ramanavičius (Viļņas Universitāte, Lietuva)
Ar promocijas darbu var iepazīties LU Bibliotēkas Daudznozaru bibliotēkā Rīgā, Raiņa bulvārī 19, 2. stāvā, 203. telpā divas nedēļas pirms aizstāvēšanas.
Efektīvu bateriju izstrāde pēdējo 20 gadu laikā ir kļuvusi par svarīgu mērķi visā pasaulē, jo tām ir būtiska nozīme ne tikai pārnēsājamās ierīcēs un elektroautomobiļos, bet arī vēja un saules elektrostacijās, kur šī enerģija tiek uzkrāta, uzglabāta un transportēta tālāk.
Litija jonu baterijas (LIB) dominē pasaules tirgū jau kopš 1991. gada kā vienas no visefektīvākajām enerģijas uzkrāšanas (EES) tehnoloģiju veidiem, pateicoties izcilai veiktspējai un ilgam kalpošanas laikam. Kā anods LIB tiek izmantots grafīts, kas ir ekonomiski izdevīgs, ar augstu stabilitāti un elektrovadītspēju, taču tā zemā teorētiskā kapacitāte ir būtisks trūkums, kas nākotnē varētu ievērojami ierobežot LIB pieprasījumu.
Viens no kandidātiem, kas varētu aizstāt LIB, ir nātrija jonu baterijas (SIB). SIB izstrādei ir lielākas perspektīvas, jo nātrija rezerves Zemes garozā ir daudz lielākas nekā litijam, kas potenciāli varētu samazināt liela mēroga bateriju ražošanas izmaksas. Gan litijam, gan nātrijam ir līdzīgas ķīmiskās un fizikālās īpašības, tomēr nātrijam ir lielāks jonu rādiuss, kas var izraisīt ievērojamas tilpuma izmaiņas, tādējādi pasliktinot baterijas veiktspēju. Tādējādi dažādu anoda materiālu izstrāde paliek par vienu no būtiskajiem mērķiem SIB veiktspējas uzlabošanā.
LIB un SIB bateriju izveidei tiek izmantoti organiskie elektrolīti, kas ir ugunsnedroši un sprādzienbīstami saskarē ar gaisu. Viena no alternatīvām šo risku mazināšanai ir šo elektrolītu aizstāšana ar ūdens elektrolītiem, kas ir videi draudzīgāki un drošāki. Pašlaik šādas baterijas vēl nav komercializētas būtisku trūkumu dēļ, taču pēdējo piecu gadu laikā pieaugot interesei par dažādiem EES, ir veicināta šo bateriju sistēmu pētniecība.
Viens no perspektīvākajiem anoda materiāliem ir bismuta selenīds (Bi2Se3), kam ir augsta elektrovadītspēja, liels blīvums un augsta teorētiskā kapacitāte. Pateicoties unikālajai slāņveida Bi2Se3 kristāliskajai struktūrai, tas spēj nodrošināt litija un nātrija jonu pārvietošanos uzlādes/izlādes laikā. Tomēr strauja tilpuma izplešanās, kā arī selēna šķīšana paliek par būtisku Bi2Se3 trūkumu, kas izraisa elektroda degradāciju un veiktspējas pasliktināšanos. Turklāt pētījumi par Bi2Se3 izmantošanu kā anodmateriālu LIB un SIB sistēmās ūdens elektrolītu vidē līdz šim nav veikti.
Lai uzlabotu Bi2Se3 īpašības, kā inovatīvs paņēmiens ir tā tiešā nanostrukturēšana ap bez-saistvielas struktūras tīklojumā, izmantojot viensienu oglekļa nanocaurulītes (SWCNT). Šāds paņēmiens nodrošina tiešu mehānisko un elektrisko kontaktu starp Bi2Se3 un SWCNT tīklojumu, palielina uzlādes/izlādes kapacitāti, kā arī palielina noturību pret izplešanas un sašaurināšanās procesiem. Lai panāktu vēl augstāku veiktspēju, kopā ar SWCNT var izmantot arī MXene (Ti3C2). Nanostrukturējot Bi2Se3 ap MXene/SWCNT
maisījumu, MXene nodrošina strukturālo stabilitāti un augstu uzlādes/izlādes kapacitāti, savukārt porainais SWCNT tīklojums novērš MXene nanoslāņu salipšanu un nodrošina elektrovadošu pamatni.
Promocijas darba izstrādes ietvaros tika veikta elektroķīmiskā raksturošana Bi2Se3 plānām kārtiņām, Bi2Se3/SWCNT un Bi2Se3/MXene/SWCNT heterostruktūrām, lai izpētītu to iespējamo pielietojumu kā anoda materiālu LIB un SIB sistēmās. Sintezēto Bi2Se3 plāno kārtiņu veiktspēja pirmo reizi tika testēta un aprakstīta LIB un SIB sistēmām, izmantojot ūdens elektrolītus. Papildus tam tika izstrādāti jauna tipa bez-saistvielas heterostruktūru anoda elektrodi uz Bi2Se3, SWCNT un MXene komponenšu bāzes (Bi2Se3/SWCNT, Bi2Se3/MXene/SWCNT) ar uzlabotām fizikālajām un elektroķīmiskajām īpašībām. Sintezētajiem heterostruktūru materiāliem piemīt ievērojami augstāka veiktspēja, kas pārsniedz līdz šim zināmo anoda materiālu raksturlielumus, parādot to potenciālo pielietojamību LIB un SIB sistēmās.
