Co można uzyskać dzięki wynalazkowi

Wynalazek dotyczy spinelowych materiałów katodowych LKMNO, a także sposobu otrzymywania takich materiałów. Zastosowanie podejścia tworzącego przedmiotowy wynalazek (synergetycznego podstawienia spinelu litowo-manganowego - LMO, potasem i niklem oraz zastosowanie metody syntezy zol-żel) pozwoliło na otrzymanie materiału wykazującego zupełnie nowe i niespodziewane parametry użytkowe pracy w ogniwie. Materiał LKMNO wyróżnia wysoka sprawność i efektywność działania, niezawodność i bezpieczeństwo pracy, nanostrukturalny charakter zapewniający możliwość szybkiego ładowania/rozładowania ogniw, atrakcyjność pod względem ekologicznym (znikoma uciążliwość dla środowiska surowców tworzących LKMNO; zgodna z zasadami zielonej chemii metoda otrzymywania materiałów LKMNO), konkurencyjność ekonomiczna i funkcjonalność (możliwość kontroli składu oraz wielkości i morfologii ziaren). Co istotne, opisane w literaturze próby zastosowania różnych modyfikacji spinelu LMO nie przyniosły takiego efektu.

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku są materiały katodowe o wysokiej gęstości energii, oparte na spinelu litowo-manganowym (LiMn2O4, LMO), synergetycznie modyfikowanym potasem oraz niklem (Li1-xKxMn2-yNiyO4, LKMNO, gdzie 0,01 ≤ x ≤ 0,15 oraz 0,01 ≤ y ≤ 0,2), a także sposobu otrzymywania takich materiałów.
Dzięki zastosowaniu jednoczesnego domieszkowania spinelu LMO w podsieci litu i manganu, potasem oraz niklem, oraz wykorzystaniu metody syntezy zol-żel możliwe jest otrzymanie materiałów katodowych o nadzwyczajnie wysokiej pojemności właściwej, sięgającej nawet 250 mAh/g przy obciążeniu prądowym 1C (pełne naładowanie bądź rozładowanie akumulatora następuje w przeciągu 1 godziny), nieosiągalnej do tej pory przez inne materiały bazujące na spinelu LMO (pojemność teoretyczna LiMn2O4, wynosi ok. 148 mAh/g). Dodatkowo materiały będące przedmiotem wynalazku charakteryzują się wysokim potencjałem pracy (w zakresie 4,0-4,7 V), niezwykle wysoką odwracalnością kulombowską (powyżej 99%), a także efektywnością pracy ogniwa w warunkach wysokoprądowych - możliwość przenoszenia, bez uszkodzenia, obciążeń prądowych rzędu 100C-200C (pełne naładowanie bądź rozładowanie akumulatora następuje w przeciągu 36 sekund dla 100C lub odpowiednio 18 sekund dla 200C). Ponadto, sposób według wynalazku umożliwia prowadzenie syntezy materiałów w warunkach normalnych z niskoenergetyczną obróbką termiczną, pozwalając na uzyskanie jednorodnych i o dużej czystości produktów w postaci nanometrycznej, a przy tym, w przeciwieństwie do większości opisanych w literaturze technik syntetycznych, głównie ze względów ekonomicznych, jest odpowiedni do zastosowania na szeroką skalę.
Zaletą wynalazku jest możliwość otrzymania materiałów wykazujących znacznie lepsze parametry pracy w porównaniu do innych materiałów opartych na stechiometrycznym spinelu LMO, znanych w literaturze i dostępnych na rynku. Ich konkurencyjność, pod względem ekonomicznym jak i ekologicznym, przejawia się także względem powszechnie stosowanych drogich i toksycznych związków kobaltu oraz niklu (LiCoO2, LCO; LiNiO2, LNO; LiNi0,33Mn0,33Co0,33O2, NMC i LiNi0,8Co0,15Al0,05O2, NCA).

Potencjał komercjalizacji

Potencjał komercjalizacyjny wynalazku jest widoczny w kontekście poprawy efektywności energetycznej, co ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju przemysłu energetycznego, elektronicznego i motoryzacyjnego. Wynalazek może być bowiem zastosowany jako materiał katodowy, w tanich, bezpiecznych i ekologicznych akumulatorach litowo-jonowych (Li-ion) o wysokiej energii i mocy. Kolejnym atutem jest zastosowana metoda syntezy, która umożliwia kontrolę nad składem chemicznym oraz wielkością i morfologią ziaren otrzymanego produktu. Ponadto wprowadzenie materiałów LKMNO do komercyjnych akumulatorów Li-ion nie wymaga zmiany technologii produkcji ogniw, co ułatwia wdrożenie, pozwalając jednocześnie na obniżenie kosztów z tym związanych. Reasumując, ogniwa wykorzystujące materiał LKMNO, mogą konkurować cenowo z ogniwami opartymi na LMO, oferując przy tym parametry użytkowe porównywalne lub przewyższające parametry dużo droższych ogniw, przy zapewnieniu wyższego bezpieczeństwa i zwiększonej trwałości.