Διδακτορικός Φοιτητής
ΧΡΥΣΟΣΤΟΜΟΣ ΠΑΠΑΜΙΧΑΗΛ
chpap@materials.uoc.gr
Τηλέφωνο
Γραφείο
Προσωπική ιστοσελίδα
Θέμα διδακτορικού
Solid polymer electrolytes for energy storage beyond Li-ion batteries
Επιβλέπων
ΓΛΥΝΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ, Επίκουρος Καθηγητής, Τμήματος Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών, Π.Κ.
Μέλη Επιτροπής
ΒΛΑΣΣΟΠΟΥΛΟΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ, Καθηγητής, Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών - ΠΚ
ΣΑΚΕΛΑΡΙΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Χημείας, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών
Abstract
The need for stationary energy storage for integrating large-scale renewable energy sources grid is growing at a very fast pace. As renewable energy sources are scattered in time and space, and are intermittent by nature, storing the energy produced and delivering it on demand relies on batteries to power the grid in order to maintain a continuous, dispatchable and reliable stream of power and to avoid shortcomings of renewable sources. The growing scarcity of lithium resources severely limits the use of current Lithium Battery (LB) technologies in large-scale energy storage, thus necessitating the development of beyond-Li storage technologies. One of the most popular potential alternatives are sodium batteries (SBs). Owing to the high natural abundance of sodium, its homogeneous distribution and its comparatively lower cost, alongside with the fact that both Na+ and Li+ possess similar electrochemical properties, SBs come out as promising viable alternatives to LBs. Since battery-grade sodium can be extracted from seawater and be produced more easily than Li, these are batteries regarded as more environmentally friendly and safer to transport due to the use of aluminium current collectors, which is of particular interest for large-sized batteries. Going from metal-ion to metal batteries brings extra energy density, but Na metal anodes are even more reactive than Li, which also renders attractive the exploitation of other metals, such as Ca or Mg, which are less reactive and more stable and have the advantage of delivering two electrons per metal. During the course of the proposed PhD thesis, we plan to develop a fundamental understanding of the effect of cation chemistry and macromolecular architecture (linear and branched homo- and copolymers polymers will be utilized) on the structure-property relationship of solid polymer electrolytes involving both single valent (e.g., Na+) and multivalent (e.g., Mg2+ and Ca2+) cations as charge carriers. The research objectives will be coupled with a clear technological objective of integrating the developed Solid Polymer Electrolytes (SPEs) in prototype battery cells.
Περίληψη
Η ανάγκη για σταθερή αποθήκευση ενέργειας για την ενσωμάτωση του δικτύου ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μεγάλης κλίμακας αυξάνεται με πολύ γρήγορους ρυθμούς. Καθώς οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι διάσπαρτες στο χρόνο και στο χώρο και είναι διακοπτόμενες από τη φύση τους, η αποθήκευση της παραγόμενης ενέργειας και η παροχή της κατόπιν ζήτησης βασίζεται σε μπαταρίες για την τροφοδοσία του δικτύου προκειμένου να διατηρηθεί ένα συνεχές, κατανεμημένο και αξιόπιστο ρεύμα ισχύος και να αποφευχθούν ελλείψεις των ανανεώσιμων πηγών. Η αυξανόμενη έλλειψη πόρων λιθίου περιορίζει σοβαρά τη χρήση των τρεχουσών τεχνολογιών μπαταριών λιθίου (LB) σε αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας, καθιστώντας έτσι αναγκαία την ανάπτυξη τεχνολογιών αποθήκευσης πέραν του λιθίου. Μία από τις πιο δημοφιλείς πιθανές εναλλακτικές λύσεις είναι οι μπαταρίες νατρίου (Sodium batteries - SBs). Λόγω της υψηλής φυσικής αφθονίας του νατρίου, της ομοιογενούς κατανομής του και του συγκριτικά χαμηλότερου κόστους του, παράλληλα με το γεγονός ότι τόσο το νάτριο (Na+) όσο και το λίθιο (Li+) διαθέτουν παρόμοιες ηλεκτροχημικές ιδιότητες, οι μπαταρίες νατρίου (SBs) εμφανίζονται ως υποσχόμενες βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις έναντι των μπαταριών λιθίου (Lithium batteries - LBs). Δεδομένου ότι το νάτριο μπορεί να εξαχθεί από το θαλασσινό νερό και να παραχθεί πιο εύκολα από το λίθιο, αυτές είναι μπαταρίες που θεωρούνται πιο φιλικές προς το περιβάλλον και ασφαλέστερες στη μεταφορά λόγω της χρήσης συλλεκτών ρεύματος αλουμινίου, κάτι που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για μπαταρίες μεγάλου μεγέθους. Η μετάβαση από μπαταρίες ιόντων μετάλλου σε μεταλλικές μπαταρίες φέρνει επιπλέον πυκνότητα ενέργειας, αλλά οι μεταλλικές άνοδοι νατρίου είναι ακόμη πιο αντιδραστικές από το λίθιο, γεγονός που καθιστά επίσης ελκυστική την εκμετάλλευση άλλων μετάλλων, όπως το ασβέστιο (Ca) ή μαγνήσιο (Mg), τα οποία είναι λιγότερο αντιδραστικά και πιο σταθερά και έχουν πλεονέκτημα της παροχής δύο ηλεκτρονίων ανά μέταλλο. Κατά τη διάρκεια της προτεινόμενης διδακτορικής διατριβής, σχεδιάζουμε να αναπτύξουμε μια θεμελιώδη κατανόηση της επίδρασης της χημείας κατιόντων και της μακρομοριακής αρχιτεκτονικής (θα χρησιμοποιηθούν γραμμικά και διακλαδισμένα πολυμερή ομο- και συμπολυμερών) στη σχέση δομής-ιδιότητας των στερεών πολυμερών ηλεκτρολυτών που περιλαμβάνουν τα μονοσθενή (π.χ. Na+) και πολυσθενή (π.χ. Mg2+ και Ca2+) κατιόντα ως φορείς φορτίου. Οι ερευνητικοί στόχοι θα συνδυαστούν με έναν σαφή τεχνολογικό στόχο ενσωμάτωσης των ανεπτυγμένων στερεών πολυμερικών ηλεκτρολυυτών (SPEs) σε πρωτότυπα στοιχεία μπαταρίας.