Logo: to the web site of Uppsala University

uu.sePublications from Uppsala University
EnglishSvenskaNorsk
Change search
ExportLink to record
Permanent link

Direct link
BETA

Project

Project type/Form of grant
Grant for employment or scholarship
Title [sv]
Bortom blå: Frigörandet av elektroaktiviteten hos anjoniska länkar i Prussian blue-analoger
Title [en]
Beyond blue: Unlocking the electroactivity of anion linkers in Prussian blue analogues
Abstract [sv]
Allt eftersom världen möter den ena krisen efter den andra, med ett ökat ifrågasättande av pris och tillgång på olja och fossila bränslen, tydliggörs mer än någonsin betydelsen och efterfrågan av förnyelsebar energi för att säkerställa en hållbar framtid. Dock ställer oregelbundenheten hos vind- och solkraft krav på att elnätet anpassar sig för att inkludera en ökad flexibilitet i prestandaleverans. Sådan flexibilitet möjliggörs genom implementering av batterier på alla nivåer i elnätet, vilka kan utföra funktioner som reduktion genom beskärning vid generering, överföring och distribuering samt kapning av effekttoppar på kundnivå. En sådan stor integrering av energilagringssystem kommer att skapa ett stort tryck på tillgången och prestandan hos den tillämpade teknologin.Tillsammans med den ökade efterfrågan på förnybar energi växer också en samhällelig medvetenhet fram kring vikten av att introducera lösningar till världens problem som i sig själva är hållbara. Samtidigt som litiumjonbatterier har dominerat stationär energilagring hittills finns en betydande oro kring hållbarheten i deras kemi och risker i försörjningskedjan. Speciellt användningen av kobolt, en stor komponent av den positiva elektroden, som är både toxisk och oetiskt utvunnen i det politiskt instabila Kongo-Kinshasa. Därför är det kritiskt att hitta ett material bestående av billiga och rikligt förekommande grundämnen, som också kräver lite energi att producera samtidigt som det kan konkurrera med nutida kommersiella litiumjonbatterier. Det är här Prussian blue-analoga elektrodmaterial visar en stor potential.Prussian blue-analoger (PBA) är en materialklass baserade på det enkla blå pigmentet kallat Prussian blue (berlinerblått), vilket upptäcktes för 400 år sedan. PBA består av övergångsmetaller sammanlänkade i tre dimensioner av cyanidgrupper, vilket skapar ett högporöst nätverk där laddade katjoner, så som litium, natrium eller kalium (för litiumjon-, natriumjon- och kaliumjonbatterier), reversibelt kan sättas in och tas ut. De mest intressanta PBA är baserade på järn och mangan, vilket tack vare deras enkla och billiga produktion erbjuder det bästa pris- till prestandaförhållandet bland alla lösningar bortom de baserade på litium. Särskilt uppvisar järnbaserade PBA en förbättrad energilagring per gram jämfört med LiFePO4 (LFP) som nyligen implementerats i elektriska fordon av Tesla. På grund av sin porösa karaktär är dock den volymetriska energitätheten mycket lägre, vilket minskar konkurrenskraften. Även om batteriet kommer att ha en låg vikt så upptar det en större fysisk volym för samma mängd energi som ett batteri baserat på LFP. Därmed krävs här en förbättring för att utgöra ett livskraftigt alternativ. En strategi för att övervinna denna svaghet är att byta ut de elektrokemiskt inerta cyanidlänkarna med den elektroaktiva nitrosylgruppen (NO). Denna exotiska undergrupp av PBA är känd som metallnitrosylprussider (eng. transition metal nitroprussides, TM-NP).Detta projekt kommer att designa nya högkapacitetselektroder för icke-akvatiska batterier baserat på TM-NP. Motiveringen bakom TM-NP är att varje del av materialet är elektrokemiskt aktivt och därmed kan lagra mer energi vid en given volym. Den viktigaste vetenskapliga frågeställningen som vi kommer att besvara är: Vilka övergångsmetaller och kristallstrukturer leder till det största utnyttjandet av alla redoxcentra och kan därmed lagra mest energi? Det förutspås att energidensiteten kan fördubblas i TN-MP jämfört med PBA. Att nå detta mål kräver dock en grundläggande förståelse för varför vissa material fungerar bra medans andra inte gör det. Därför kommer ett brett spektrum av avancerade karakteriseringsmetoder att tillämpas för att se inuti de konstruerade TM-NP-batterierna och bestämma materialförändringar på atomnivå vid användande av enheterna. Vid projektets slut kommer vi att skapa en helt ny grupp av högpresterande, hållbara elektrodmaterial för nästa generations laddningsbara batterier.
Abstract [en]
As the world continues to face one crisis after another, the demand for renewable energy and sustainable materials supporting the delivery of renewable energy is stronger than ever. Prussian blue analogues (PBAs) as electrodes in energy storage devices such as batteries show significant promise in terms of cost and sustainability, however, they are lacking in terms of volumetric energy density. This project aims to design high capacity electrodes for non‑aqueous batteries based on a subclass of PBAs known as transition metal nitroprussides (TM-NPs). TM-NPs are similar in structure and composition to PBAs except for the presence of electroactive nitrosyl ligands. The presence of both cationic and anionic redox centers in TM-NPs potentially doubles the specific energy density relative to parent PBA compounds. The project will explore the role of composition and crystal structure on the initial and reversible electrochemical storage capacity of TM-NPs. Six compounds adopting two different crystal structures will be synthesized and electrochemically tested. The structural and electronic changes during ion insertion will be studied via a multi-technique approach implementing operando methods at synchrotron and neutron facilities. The project will thus elucidate the factors which drive utilization of all redox centers and produce a new class of electrode materials for sustainable batteries.
Principal InvestigatorBrant, William
Coordinating organisation
Uppsala University
Funder
Period
2022-01-01 － 2025-12-31
National Category
Inorganic Chemistry
Identifiers
DiVA, id: project:8695Project, id: 2021-04987_VR

Search in DiVA

Inorganic Chemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
v. 2.47.0
|
WCAG
|
Uppsala University Library
|
Ask the Library
|
Log in to DiVA
|
Search and link in DiVA