Badacze związani z Zakładem Joniki Ciała Stałego od dawna badają materiały mogące znaleźć zastosowanie m.in. w bateriach litowo-jonowych (Li-ion), sodowo-jonowych (Na-ion), ogniwach paliwowych lub czujnikach ciśnienia parcjalnego tlenu. Podstawowe elementy każdego ogniwa elektrochemicznego (do których zaliczają się m.in. ogniwa litowo-jonowe czy paliwowe) to: katoda, elektrolit i anoda. Zespół z Wydziału Fizyki prowadzi badania nad dwoma spośród nich – katodami i elektrolitami. W swoich pracach zajmuje się ich otrzymywaniem i charakteryzacją ich podstawowych właściwości elektrycznych, strukturalnych i termicznych.

Nasi specjaliści skupiają się na dwóch głównych nurtach: przewodnikach jonów litu i sodu oraz jonów tlenu.

Alternatywa dla „wylewających się” baterii

Stałe elektrolity o wysokim przewodnictwie jonów litu są badane m.in. pod kątem przyszłego zastosowania w ogniwach Li-ion. Wśród nich są związki o wzorze chemicznym Li7La3Zr2O12 (LLZO)  posiadające jedną z najwyższych przewodności jonów litu – jest ona prawie tak wysoka, jak dla elektrolitów ciekłych, które obecnie wykorzystywane są w bateriach. Elektrolity stałe są jednak bezpieczniejsze, gdyż w ich przypadku znika ryzyko „wylania się” baterii.  Ważną zaletą LLZO jest możliwość ich domieszkowania i wytworzenia na ich bazie przewodników mieszanych, przewodzących zarówno jony litu, jak i elektrony. Takie zmodyfikowane materiały mogą posłużyć jako katody, wykazujące dużą zgodność chemiczną i stabilność w kontakcie z oryginalnym LLZO.  To pozwoli na stworzenie ogniw litowo-jonowych typu all-solid, czyli bez ciekłych elementów.

Równolegle prowadzone są badania nad otrzymaniem tych materiałów w formie cienkowarstwowej. Fizyka cienkich warstw jest zupełnie inna niż fizyka materiałów objętościowych – co pozwala nie tylko zbadać nowe zjawiska, ale też zbudować cienkowarstwowe ogniwa Li-ion. W Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT) Wydział Fizyki otwiera nowe laboratorium, które pozwoli na wytworzenie materiałów za pomocą metody PLD (Pulsed Laser Deposition), która pozwala na osadzanie niewielkich grup atomów przy pomocy wiązki lasera.