Tematyka badawcza Zakładu

Zakład Joniki Ciała Stałego prowadzi badania z zakresu fizyki przewodników superjonowych oraz materiałów o przewodnictwie mieszanym (elektronowo-jonowym). Przewodniki superjonowe są grupą materiałów stałych, wykazujących mimo to duże wartości przewodności jonowej (o wartościach zbliżonych do przewodników ciekłych).

Prowadzone przez nas badania są bardzo różnorodne i dotyczą właściwości termicznych, strukturalnych oraz elektrycznych. Mogą one zmieniać się w funkcji składu i struktury krystalicznej, co także jest przedmiotem naszych prac. Takie podejście wymusza użycie szerokiego spektrum technik badawczych - analizy termicznej (DSC/DTA/TGA/TMA), dyfraktometrii rentgenowskiej oraz neutronowej, mikroskopii elektronowej (SEM, TEM), analizy pierwiastkowej (EDX), spektroskopii ramanowskiej, spektroskopii impedancyjnej, pomiarów hallowskich i termoelektrycznych, pomiarów elektrochemicznych oraz modelowania komputerowego. Zdecydowana większość tych technik dostępna jest na miejscu.

Zakład Joniki Ciała Stałego składa się z dwóch pracowni naukowych: Amorficznych Przewodników Superjonowych oraz Krystalicznych Przewodników Superjonowych.

Pracownia Amorficznych Przewodników Superjonowych

W pierwszej z tych pracowni (kierowanej przez prof. dr. hab. Marka Wasiucionka) badane są przede wszystkim związki amorficzne (niekrystaliczne) o przewodnictwie mieszanym. Ważnym celem prowadzonych prac jest poprawa własności elektrycznych związków na drodze ich termicznej nanokrystalizacji - w tym celu niezbędne jest prowadzenie badań termicznych i strukturalnych, równolegle do badań elektrycznych w funkcji temperatury. Uzyskana wiedza pozwala opisać proces nanokrystalizacji zarówno pod względem ilościowym (szybkość zarodkowania i krystalizacji), jak i jakościowym (powstające fazy krystaliczne, wielkość ziaren), co pozwala wnioskować o mechanizmach poprawy przewodności.

Pracownia dysponuje piecami pozwalającymi na topienie materiałów w wysokich temperaturach oraz infrastrukturą do ich szybkiego chłodzenia, a także młynami do wysokoenergetycznego mielenia - co pozwala otrzymywać związki amorficzne.

Tematyka:

  • szkła o składzie odpowiadającym krystalicznym materiałom katodowym do ogniw litowo-jonowych (V2O5, oliwin LiFePO4, związki o strukturze NASICONu - Li3V2(PO4)3 lub Li3V2(PO4)2F3 oraz ich sodowe odpowiedniki). Główny nurt prac związanych z tymi materiałami dotyczy poprawy ich własności elektrycznych na drodze termicznej nanokrystalizacji. Otrzymywane rezultaty są bardzo obiecujące - przykładowo, w przypadku szklistych odpowiedników oliwinów, na drodze nanokrystalizacji, udało się poprawić przewodność materiału blisko miliard razy!

  • inne materiały katodowe do ogniw Li-ion, oparte o taworyt LiVPO4F. Wbrew nazwie pracowni ;) badany jest krystaliczny taworyt i jego pochodne. Nowatorska jest jednak metoda jego otrzymywania, zwana syntezą mikrofalową, której sercem jest. zwyczajna kuchenka mikrofalowa.

  • szkła aktywne optycznie - to szkła zawierające jony metali ziem rzadkich (np. europ) w matrycy szklistej (przykładowo Eu w matrycy LiF-TiO2-P2O5). Szkła takie wykazują luminescencję przy pobudzeniu światłem ultrafioletowym. Mogą zostać wykorzystane do budowy źródeł światła białego oraz luminoforów w ekranach LCD. Prowadzone badania dotyczą możliwości zmiany widma luminescencji na drodze zmiany stopnia utlenienia jonów lub na drodze nanokrystalizacji szkła.

  • kompozyty szkliste złożone z materiałów o różnym przewodnictwie (np. kompozyt szkieł 30AgI·35Ag2O·35P2O5 i 90V2O5·10P2O5 przewodzący jony srebra i elektrony). Szkła takie charakteryzują się wysokimi wartościami pojemności elektrycznej, co czyni je potencjalnymi kandydatami do zastosowania w superkondensatorach. Prowadzone prace mają wymiar poznawczy - w badanych związkach obserwuje się efekty synergiczne, co oznacza, że własności otrzymanego kompozytu są inne, niż by to wynikało z sumy właściwości jego składników.

  • elektrolity stałe do ogniw Li-ion - to związki stałe, przewodzące jony litu. Pozwalają one na wyeliminowanie z baterii ciekłego elektrolitu i stworzenie ogniwa złożonego tylko z materiałów stałych, co jest istotne dla baterii o specjalnym przeznaczeniu (np. w wojskowości lub przy pracy w ekstremalnych temperaturach). Badane są dwie grupy związków - LiTi2(PO4)3 (LTP) oraz Li1,3Ti1,7Al0,3(PO4)3 (LATP), a głównym celem prac jest poprawa ich własności elektrycznych.

Do pracowni należą: prof. dr. hab. Jerzy Garbarczyk, prof. dr hab. Marek Wasiucionek, prof. nzw. dr hab. Jan Nowiński, dr Piotr Kurek, dr Bogdan Wnętrzewski, dr inż. Wioleta Ślubowska oraz dr inż. Tomasz Pietrzak.

Pracownia Krystalicznych Przewodników Superjonowych

Pracownia Krystalicznych Przewodników Superjonowych (kierowana przez prof. dr. hab. Franciszka Kroka) zajmuje się materiałami krystalicznymi o różnorodnych zastosowaniach - łączy je jednak wspólny cel, jakim jest badanie możliwości optymalizacji struktury krystalicznej i właściwości elektrycznych na drodze zmiany składu chemicznego. Ważnym etapem jest wnikliwa analiza strukturalna wytworzonych materiałów, w szerokim zakresie temperatur, przy wykorzystaniu technik dyfrakcji rentgenowskiej i neutronowej. Komplementarnie do badań eksperymentalnych, prowadzone są symulacje komputerowe przy wykorzystaniu metod RMC (reverse Monte Carlo) oraz DFT (density functional theory). Różne metody badawcze pozwalają na uzyskanie wiarygodnego opisu pozycji atomów w komórce elementarnej oraz stopnia ich obsadzenia, co pozwala wnioskować o korelacjach zachodzących między strukturą krystaliczną i przewodnością elektryczną.

Pracownia dysponuje świetnie wyposażonym laboratorium spektroskopii impedancyjnej, umożliwiającym prowadzenie pomiarów elektrycznych w różnych temperaturach i przy użyciu różnych atmosfer. Ważnym osiągnięciem zespołu jest także stworzenie układu pozwalającego na wyznaczanie liczb przenoszenia (stosunku przewodności elektronowej/jonowej do całkowitej przewodności), co pozwala wyciągać wnioski na temat możliwości zastosowania badanych materiałów jako elektrolitów stałych.

Tematyka:

  • przewodniki jonów tlenu oparte o związki bizmutu - rozważane jako stałe elektrolity w tlenkowych ogniwach paliwowych (SOFC), pozwalające na pracę w niższej temperaturze niż analogiczne ogniwa SOFC oparte o tlenek cyrkonu stabilizowany itrem (YSZ), a także jako sensory ciśnienia parcjalnego tlenu. Udało się (na drodze symulacji DFT) wykazać, że kationy itru pełnią rolę centrów pułapkowania dla jonów tlenu, co wpływa negatywnie na przewodność elektryczną związków zawierających kationy itru.

  • polimerowe przewodniki jonów litu - są alternatywą dla obecnie wykorzystywanych w bateriach Li-ion ciekłych elektrolitów. Obecnie stosowane elektrolity są często "wąskim gardłem" baterii, ograniczającym jej osiągi. Prowadzone są zatem badania dotyczące możliwości otrzymania nowych polimerowych materiałów przewodzących jony litu typu "polielektrolit". Takie materiały zawierają rozgałęziony poli(tlenek etylenu) z rozpuszczoną w nim solą, będącą źródłem jonów litu (np. LiN(CF3SO2)2). Otrzymane wyniki kompleksowych badań wskazują na pozytywne efekty wykorzystania elektrolitu o takiej strukturze.

  • spinele litowo-manganowe oraz litowo-tytanowe są związkami o mieszanym przewodnictwie elektronowo-jonowym, które znajdują zastosowanie jako elektrody (zarówno katody jak i anody) w ogniwach litowo-jonowych. Prowadzone prace skupiają się na poprawie właściwości interkalacyjnych (przyjmowania jonów litu do struktury) oraz parametrów elektrycznych.

Do pracowni należą: prof. dr hab. Franciszek Krok, prof. dr hab. Władysław Bogusz, prof. dr hab. inż. Józef Dygas, dr hab. inż. Wojciech Wróbel, dr hab. inż. Michał Marzantowicz, dr inż. Marcin Małys, dr inż. Monika Dynarowska, dr inż. Marzena Leszczyńska-Redek oraz dr inż. Anna Borowska-Centkowska.