Kenneth Tuul kaitseb doktoritööd „Evaluating lithium-ion pouch cells and hydrogen storage materials under extreme conditions using advanced techniques“

26. augustil kell 14.15 kaitseb Kenneth Tuul keemia erialal doktoritööd „Evaluating lithium-ion pouch cells and hydrogen storage materials under extreme conditions using advanced techniques“ („Liitiumioonakude ja vesinikuhoiustusmaterjalide karakteriseerimine ekstreemsetes keskkonnatingimustes kõrgtehnoloogiliste meetoditega“).

Juhendajad:
kaasprofessor Rasmus Palm, Tartu Ülikool
professor Enn Lust, Tartu Ülikool
professor Emeritus Jeff R. Dahn, Dalhousie Ülikool (Kanada)

Oponent:
kaasprofessor Johannes Wandt, Agderi Ülikool (Norra)

Kokkuvõte:
Vene-Ukraina sõjast tingitud energiakriis on ajendanud EL-i energiasõltumatuse ja roheenergia suunas, kus viimane on keskne EL-i kliimaeesmärkide saavutamiseks. Selle laialdaseks kasutamiseks on vaja töökindlaid ja jätkusuutlikke salvestusmeetodeid. Li-ioonakud eelisteks on kõrge energiatihedus, kasutegur ja väljakujunenud tehnoloogia, kuid nende kitsaskohtadeks on toormaterjalide kättesaadavus, tarneahelate haavatavus ja piiratud sobivus pikaajaliseks salvestuseks. Eluea pikendamine ja töökindlate akude järelturg aitavad olukorda leevendada. Teisalt võimaldab roheenergiast toodetud vesinik pikaajalist salvestust, ehkki praegused tehnoloogiad jäävad alla kasuteguri, hinna ja ohutuse poolest.

Antud doktoritöö uurib H2 salvestust naatriumalanaadis (NaAlH₄) ja pikaealisi Li-ioonakusid. Nende karakteriseerimiseks kasutati tavapäraseid laborimeetodeid, kuid võtmeteadmised saadi kõrgtehnoloogiliste meetoditega: neutrondifraktsioon andis infot NaAlH₄ faasisiirete kohta. Ülikõrglahutuskulonomeetria (UHPC) koos kiirendatud kõrgtemperatuurse vanandamisega paljastas akude lagumehhanisme ning võimaldas nende eluea ennustamist.

NaAlH₄ lõksustati nanoosakestena poorses süsinikus, mille tulemusel vähenes H2 vabanemise temperatuur 100 °C-ni võrreldes puhta materjali 183 °C-ga. Osaline H2 salvestamine saavutati 150 °C ja 20 bar juures. Täielik pöörduvus jäi piiratuks, mistõttu tulevikus võiks süsinikmaterjali struktuuri peenhäälestada ja lisada katalüsaatoreid.

Li-ioonakud kohandati tööks 60–100 °C juures ning pika eluea jaoks, optimeerides elektroodimaterjale ja elektrolüüdi koostist. Pouch-tüüpi akud andsid paljulubavaid tulemusi, kuid selgues, elektrolüüdi solvendid difundeeruvad läbi laminaatpakendi liitekohtade. Silindrilised metallrakud osutusid ajastabiilsemateks. UHPC paljastas Arrheniuse-tüüpi seose mahutavuse kao ja temperatuuri vahel, võimaldades lihtsa mudeliga prognoosida akude mahutavuse vähenemist mitmekümne aasta vältel. Kuigi mudel ei ole kõikehõlmav ega veel valideeritud, võimaldab see pikemate garantiiaegade ja taaskasutuse planeerimiseks.