Karbożelowe materiały anodowe i sposób ich wytwarzania

Istota wynalazku:

Przedmiotem wynalazku są materiały karbożelowe, wraz ze sposobem ich otrzymywania, które mogą być stosowane jako jedna z elektrod w akumulatorach Li-ion. Materiały te, wytwarzane z tanich i ogólnodostępnych, odnawialnych surowców roślinnych, otrzymane w opracowany przez nas sposób, charakteryzują się lepszymi parametrami pracy niż komercyjne materiały węglowe obecnie stosowane w ogniwach Li-ion. Dodatkowo materiały te zostały zaprojektowane w taki sposób aby można było je funkcjonalizować w zależności od niezbędnego zastosowania np. do ogniw wysokich mocy, ogniw o wysokiej stabilności, do użycia jako elektrody w superkondensatorach czy nośniki katalizatorów. Karbożele uzyskiwane są na drodze bezpośredniej, kontrolowanej pirolizy alkożeli organicznych bazujących na skrobiach różnego pochodzenia naturalnego i ich mieszaninach. Alkożele organiczne wytwarzane są w wyniku kleikowania, w podwyższonej temperaturze, wodnej zawiesiny odpowiedniej kompozycji skrobi, składającej się ze skrobi ryżowej i innego rodzaju skrobi: kukurydzianej, ziemniaczanej, pszenicznej, tapiokowej lub sago. Otrzymany w ten sposób hydrożel jest starzony w temperaturze pokojowej. Następnie, celem wygenerowania odpowiedniej struktury przestrzennej układu, zapewniającej pożądane właściwości morfologiczne, przeprowadzana jest wymiana rozpuszczalnika stosując roztwór alkoholu lub ketonu. Tak otrzymany alkożel skrobiowy poddawany jest wprost procesowi karbonizacji w temperaturze 300-2000°C, w zależności od pożądanych parametrów karbożelu. Opisany sposób preparatyki materiałów karbożelowych pozwala na wyeliminowanie kosztownego i czasochłonnego procesu suszenia żelu, prowadzonego zazwyczaj w warunkach nadkrytycznych w wysokiej temperaturze, dzięki czemu w jednoetapowym procesie możliwe jest bezpośrednie otrzymanie karbożelu z alkożelu skrobiowego. Zastosowanie naturalnych polisacharydów w produkcji materiałów węglowych (karbożeli) umożliwia natomiast zastąpienie dotychczas stosowanych, syntetycznych źródeł węgla, które często są toksyczne i drogie. Sposób według wynalazku pozwala na uzyskanie stabilnych chemicznie karbożeli o specjalnej hierarchicznej budowie i strukturze, teksturze i morfologii oraz wysokim przewodnictwie elektrycznym i bardzo dobrych właściwościach elektrochemicznych. Karbożele wyróżniają się spośród innych, obecnie znanych, materiałów węglowych niską chropowatością, szklistością oraz brakiem mezoporów, co przekłada się na większą gęstość upakowania przestrzennego (objętościowego), a to z kolei wpływa na wzrost pojemności wolumetrycznej i grawimetrycznej materiału anodowego. Zdefiniowana i powtarzalna mikroporowatość, charakterystyczna dla tych materiałów karbożelowych, ułatwia tworzenie się warstwy SEI (ang. solid electrolyte interface) i w konsekwencji obniża energię aktywacji procesu interkalacji jonów litu do układu. Co więcej, wytwarzane według sposobu materiały anodowe wykazują uporządkowaną hierarchiczną budowę płytkową, która przekłada się na dobre właściwości mechaniczne.

Potencjał komercjalizacyjny wynalazku:

Potencjał komercjalizacyjny wynalazku jest szczególnie widoczny w kontekście odnawialnych źródeł energii oraz poprawy efektywności energetycznej, co ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju wielu sektorów gospodarczych. Wynalazek może być bowiem zastosowany jako materiał anodowy lub dodatek poprawiający właściwości elektryczne materiałów elektrodowych w akumulatorach typu Li-ion oraz innych systemach magazynowania i przetwarzania energii, a także jako nośnik katalityczny lub katalizator. Zaletą wynalazku jest wykorzystanie tanich, powszechnie dostępnych, odnawialnych i nietoksycznych substratów pochodzenia naturalnego. Kolejnym atutem jest środowisko wodne procesu, co czyni technologię bezpieczną i nieuciążliwą dla środowiska naturalnego. Ponadto wprowadzenie karbożelowych materiałów anodowych do komercyjnych akumulatorów Li-ion nie wymaga zmiany technologii produkcji ogniw, co znacząco ułatwia wdrożenie innowacji, pozwalając jednocześnie na obniżenie kosztów związanych z tym działaniem.