PED304_RO
PED304
Nume proiect:
Nanocompozite performante pentru anozi ai bateriilor cu ioni de Li bazate pe nanoaliaje de Sn, Si, Ge si nanocornuri de carbon uniperete (SWCNHs)/nanofoi de oxide redus de grafena (RGO)
Contract nr . 304PED/2020
Cod Proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2019-4951
Program: Pr. 2- Cresterea competitivitatii economiei romanesti prin cercetare, dezvoltare si inovare
Tipul proiectului: Proiect Experimental-Demonstrativ
Director de proiect: Fleaca Claudiu Teodor
Coordonator: Institutul National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei
Partener: Institutul National ce Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice si Izotopice (ICSI - Rm Valcea)
Sursa finantare: Unitatea Executiva pentru Finantarea Învatamântului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)
Rezumatul proiectului:
Proiectul urmareste obtinerea, caracterizarea si testarea unor materiale hibride nanostructurate avansate care sa poata fi folosite pentru anozi in bateriile moderne de tip Li-ion ce necesita atat o mare capacitate masica de inmagazinare a energiei (mult peste valoarea de 300 mAh/g caracteristica grafitului) cat si o mentinere a acestei performante de-a lungul a sute de cicluri de incarcare-descarcare. Pentru a realiza aceste performante vom combina elementele grupei a IV-a pricipale - Sn, Si, Ge (ce prezinta o foarte mare capacitate de a ingloba Li) sub forma de nanoparticule de aliaje obtinute prin piroliza laser sau ablatie laser cu nanostructuri carbonice ce poseda o mare suprafata specifica – nanocornuri de carbon cu un singur perete (SWCNHs) sintetizate tot prin ablatie laser si nanofoi de oxid de grafena redusa ce se obtin din oxidul de grafena hidrofil. Astfel se poate amortiza variatia mare de volum caracteristica procesului de litiere-delitiere al Si, Sn si Ge, asigurandu-se si o buna conductibilitate electrica si evitandu-se degradarea anodului. Obtinerea nanocompozitelor SWCNHs-nanoparticule se va realiza fie prin oxidarea superficiala (hidrofilizarea) a nanocornurilor urmata de amestecarea in suspensie cu nanoparticule si uscare, fie direct prin ablarea simultana a doua tinte invecinate, una de grafit si cealalta de metal/metaloid (Sn, Si, Ge in diverse proportii). Compozitul ternar se va obtine tot in suspensie prin reducerea amestecului apos suspendat de SWCNHs-nanoparticule si oxid de grafena pe cale chimica sau prin iradierea amestecului suspendat in azot lichid cu laserul in infrarosu. Pentru testarile pe baterii se va realiza amestecarea nanocompozitelor cu materiale auxiliare rezultand anozi ce se vor incapsula in semicelule cu catod de Li metalic si electrolit LiPF6 in amestec de carbonati organici si se vor supune la serii de cicluri de incarcare-descarcare.
Faza I - 31/12/2020
Sinteza, caracterizarea si testarea in anozi pentru baterii cu ioni de Li a nanocompozitelor de referință
Durata Fazei I: 03/08/2020-31/12/2020
Valoarea alocata proiectului de la bugetul de stat pentru 2020: 198.000 RON
Diseminarea rezultatelor
Manuscris intitulat “From coffee rings” to thick colloidal crystals, through drop spread inhibition by the substrate edge” autori I. Sandu, C.T. Fleacă, F. Dumitrache, B. Sava, I.Urzică și M. Dumitru trimis la revista Colloids and Surfaces
Faza II - 31/12/2021
Sinteza, caracterizarea si testarea in anozi ai bateriilor cu ioni de Li de nanocompozite conținând nanoaliaje Si-Ge, Si-Sn sau Sn-Ge si SWCNHs/RGO
Durata fazei II: 01/01/2021-31/12/2021
Valoarea alocată proiectului din bugetul de stat pentru 2021: 300.000 RON
Diseminarea rezultatelor
Prezentări la Conferințe Internaţionale sub formă de Poster:
C. Fleaca, F. Dumitrache, M. Buga, A. Spinu-Zaulet, C. Ungureanu, S. Enache, A.-M. Banici, E. Dutu, M. Dumitru, Laser pyrolysis Silicon nanoparticles and their nanocomposites with Reduced Graphene Oxide (RGO) sheets for Li-ion battery anodes, 2021 EMRS Fall Meeting Virtual Conference, 20-23 september 2021 (previous in Warsaw, Poland)
F. Dumitrache, C. Fleaca, D. Craciun, L. Gavrila-Florescu, E. Goncearenco, I.P. Morjan, I. Sandu, M. Buga, S. Enache, G. Prodan, Composite nanoparticles containing silicon and tin phases synthesized by Laser pyrolysis for Li-ion battery anodes, 2021 EMRS Fall Meeting Virtual Conference, 20-23 september 2021 (previous in Warsaw, Poland)
C. Fleaca, F. Dumitrache, M. Buga, A. Spinu-Zaulet, C. Ungureanu, S. Enache, A.-M. Banici, E. Dutu, M. Dumitru, Laser pyrolysis SnOx nanoparticles - characterization and testing for Li-ion battery anodes, XXIIIrd International (Virtual) Conference New Cryogenic and Isotope Technologies for Energy and Environment – EnergEn 2021, 26-29 oct. 2021 (previous in Băile Govora, Romania)
Articole publicate în reviste ISI:
G. Huminic, A. Huminic, C. Fleacă, F. Dumitrache, I. Morjan, Experimental study on contact angle of water based Si-C nanofluid, J. Molec. Liquids 332 (2021) 115833. DOI: 10.1016/j.molliq.2021.115833
M.-R. Buga, A.A. Spinu-Zaulet, C.G. Ungureanu, R.-A. Mitran, E. Vasile, M. Florea, F. Neatu, Carbon-Coated SiO2 Composites as Promising Anode Material for Li-Ion Batteries, Molecules 2021, 26, 4531. DOI: 10.3390/molecules26154531
I. Sandu, C.T. Fleaca, F. Dumitrache, B.A. Sava, I. Urzica, I. Antohe, S. Brajnicov, M. Dumitru, Shaping in the Third Direction; Synthesis of Patterned Colloidal Crystals by Polyester Fabric-Guided Self-Assembly, Polymers 2021, 13, 4081. DOI: 10.3390/polym13234081
Manuscrisul intitulat From thin “coffee rings” to thick colloidal crystals, trough drop spreading inhibition by the substrate edge - autori I. Sandu, C.T. Fleacă, F. Dumitrache, B. Sava, I.Urzică și M. Dumitru - trimis inițial in 2020 la revista Colloids and Surfaces A si raportat la faza I a fost publicat în final în revista Applied Physics A 127 (2021) 325 (9 pag.), DOI: 10.1007/s00339-021-04447-3
Faza III - 03/08/2022
Sinteza, caracterizarea si testarea în anozi ai bateriilor cu ioni de Li de nanocompozite conținând nanoaliaje ternare Si-Ge-Sn si nanostructuri carbonice 3D/2D SWCNHs/RGO
Durata fazei III: 01/01/2022 – 03/08/2022
Valoarea alocată proiectului din bugetul de stat pentru 2022: 102.000 RON
Diseminarea rezultatelor
Prezentări la Conferințe Internaţionale sub formă de Poster:
C. Fleaca, F. Dumitrache, V. Craciun, M. Dumitru, L. Gavrila-Florescu, M. Buga, A. Spinu-Zaulet, C. Ungureanu, Laser-pyrolysis Ge-Si based nanoparticles and their composites with reduced Graphene oxide for Li-ion battery anodes, 2022 EMRS Spring Meeting Virtual Conference, 30 may - 3 june 2022
C.T. Fleaca, F. Dumitrache, V. Craciun, E. Goncearenco, E. Dutu, I.P. Morjan, L. Gavrila-Florescu, M. Dumitru, V.A. Maraloiu, M. Buga, Ternary Si-Ge-Sn Based Nanopowders Synthesized by Single-Step Laser Pyrolysis, Int. Conf. on Laser, Plasma and Radiation - Science and Technology ICLPR-ST, 7-10 june 2022, Bucharest, Parliament Palace, Romania
Articole publicate in reviste cotate ISI
I.P. Morjan, E. Dutu, C.T. Fleaca, F. Dumitrache, I. Morjan, N. Mihailescu, M. Demian, V.S. Teodorescu, M. Scarisoreanu, Effect of annealing on the structural, optical and electrical properties of (F, Zn) double doped SnO2 nanoparticles obtained by the laser pyrolysis method, Mater. Sci. Semicond. Proc. 142 (2022) 106511
G. Huminic, A. Vardaru, A. Huminic, C. Fleaca, F. Dumitrache, I. Morjan, Water-Based Graphene Oxide - Silicon Hybrid Nanofluids - Experimental and Theoretical Approach, Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 3056 (16 pag.). DOI:10.3390/ijms23063056
I. Sandu, C.T. Fleacă, F. Dumitrache, B.A. Sava, I. Urzică, I. Antohe, S. Brajnicov, M. Dumitru, Shaping in the Third Direction; Fabrication of Hemispherical Micro-Concavity Array by Using Large Size Polystyrene Spheres as Template for Direct Self-Assembly of Small Size Silica Spheres, Polymers2022, 14, 2158 (15 pag.). DOI:10.3390/polym14112158
A. Vardaru, G. Huminic, A. Huminic, C. Fleaca, F. Dumitrache, I. Morjan, Synthesis, characterization and thermal conductivity of water based graphene oxide–silicon hybrid nanofluids: An experimental approach, Alexandria Eng. J. 61 (2022) 12111–12122
Cerere de brevet depusă la OSIM
A100455/28.iul.2022 - Procedeu de obținere de nanoparticule Ge-Si ca material activ pentru anozi ai bateriilor reîncărcabile cu ioni de Li , autori C. Fleaca, F. Dumitrache, L. Gavrila-Florescu, M. Dumitru, E. Goncearenco, M. Scarisoreanu, M.R. Buga, G.C. Ungureanu
Prezentarea succintă a rezultatelor obținute în cadrul PROIECTULUI PED 304/2020
Nanoparticule (NPs) pe bază de Si, Sn (Fig.2 stânga) și/sau Ge au fost sintetizate prin piroliza cu laser în domeniul infraroșu din precursori în fază de gaz/vapori (Fig.1). Aceste NPs au fost combinate cu Oxid Redus de Grafene (RGO) și/sau Nanocornuri carbonice monoperete (SWCNHs) obținându-se compozite active pentru stocarea de energie în anozi performanți ai bateriilor reîncărcabile cu ioni de Li. Cel mai performant anod cu astfel de compozite (SiSn9-RGO, fig. 2 dreapta) a prezentat după un protocol de încărcare/descărcare repetat de 5 ori la rata de C/2 si de 200 de ori la o rată de 1C o eficiență coulumbică excelentă de 100% și o capacitate de 889 mAh/g (Fig.3), de peste două ori mai mare decat cea teoretică grafitului de 372 mAh/g folosit pe scaraă largă în anozii comerciali ai bateriilor cu ioni le Li.
Fig.1 Schița instalației de obținere nanoparticule de Si, Sn și/sau Ge prin piroliză laser
Fig.2 Imagini SEM ale nanoparticulelor SiSn9 (stânga) si ale compozitului SiSn9-RGO (dreapta)
Fig.3 Profil de stabilitate ciclică (5 cicluri la C/2 si 200 cicluri la 1C) pentru anodul SnSi9-RGO