Fakulteta za naravoslovje

Materiali za pretvorbo in shranjevanje energije

Predmet se izvaja v programu:
Znanost o materialih

Cilji in kompetence

Študentje spoznajo osnovne principe delovanja naprav za elektrokemijsko konverzijo in shranjevanje energije.

Seznanijo se z fizikalno-kemijskimi mehanizmi, ki jih te naprave izkoriščajo pri svojem delovanju. Naučijo se povezav med strukturo, sestavo in morfologijo in funkcionalnostjo aktivnih materialov v teh napravah. Seznanijo se z dodatnimi učinki, do katerih pride, ko aktivne materiale vgradimo v elektrodne kompozite. Seznanijo se s tehnikami za proučevanje posameznih komponent (aktivni material, dodatki, nosilni materiali itd.) v omenjenih napravah ter interakcij med njimi. Spoznajo najpomembnejše nerešene ali slabo rešene probleme pri uporabi teh naprav in se seznanijo z usmeritvami za njihovo odpravo. Seznanijo se z drugimi vidiki pri uvajanju novih naprav (vpliv na okolje in trajnostni razvoj, varnost delovanja, problem cene, razvitosti infrastrukture, trga ipd.).

Vsebina

1. Pregled sodobnih trajnostnih tehnologij za konverzijo in shranjevanje energije

2. Princip elektrokemijske konverzije energije (gorivne celice, foto elektrokemijske naprave)

3. Princip shranjevanja električne energije v sodobnih trajnostnih napravah (reverzibilne baterije/akumulatorji, superkondenzatorji)

4. Osnovni transportni in reakcijski procesi

5. Ciljne lastnosti aktivnih materialov za konverzijo in shranjevanje energije (kristalna struktura, površinska struktura in morfologija, funkcionalizacija površin, električne lastnosti, vpliv defektov, dopiranja)

6. Vloga pomožnih materialov (nosilci za aktivne delce, veziva, dodatki, elektroliti)

7. Sintezni postopki za pripravo aktivnih materialov in kompozitov

8. Konstrukcija elektrod in testnih celic

9. Pregled tipičnih naprav:

a) gorivne celice

b) fotoelektrokemijske celice

c) baterije

d) superkondenzatorji

10. Prednosti in slabosti sedanjih generacij naprav in pogled v prihodnost

Predvideni študijski rezultati

Razumevanje principov delovanja sodobnih naprav za elektrokemijsko konverzijo in shranjevanje energije.

Razumevanje povezav med osnovnimi lastnostmi aktivnih materialov (sestava, struktura, morfologija) in njihovo funkcionalnostjo.

Razumevanje pojavov transporta in reakcije v omenjenih napravah.

Razumevanje stranskih reakcij, vpliva dodatkov, nosilnih materialov ter interakcij med aktivnimi materialom in dodatnimi fazami v elektrodnih sklopih.

Podrobnejše poznavanje različnih tipov sodobnih naprav iz omenjenega nabora.

Poznavanje omejitev, nerešenih problemov in širših vidikov uvajanja novih naprav, vključno z okoljskim, varnostnim in ekonomskim.

Temeljna literatura in viri

  • W. Vielstich, A. Lamm, and H.A. Gasteiger, Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology, Application, Vol. 1, Wiley, Chichester, 2003

  • D. Pletcher & F.C. Walsh, Industrial Electrochemistry, 2nd ed., Chapman and Hall, London, 1990

  • Fuel cell handbook, EG&G Services, Parsons, Inc., Science Applications International Corpora-tion, Morgantown, WV : U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technolo-gy Laboratory, 2000.

  • C. Vincent & B. Scrosati, Modern Batteries, Butterworth-Heinemann, 2nd Edition, 1997.

  • Lithium Ion Batteries: Fundamentals and Performance, M. Wakihara, O. Yamamoto (Eds.), John Wiley & Sons, 2008.

  • A. Goetzberger, V. U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer, Berlin, 2005.

  • Načini ocenjevanja

    Seminar, udeležba pri laboratorijskem delu, ustni izpit

    Reference nosilca

    Doc. dr. Goran Dražić:

    Docent za področje mikroskopije na Mednarodni podiplomski šoli IJS

    1. KRIVEC, Matic, ŽAGAR, Kristina, SUHADOLNIK, Luka, ČEH, Miran, DRAŽIĆ, Goran. A highly efficient TiO[sub]2-based microreactor for photocatalytic applications. ACS applied materials & interfaces, 2013, vol. 5, 9088-9094.

    2. AMISSE, Robin, SOUGRATI, Moulay Tahar, STIEVANO, Lorenzo, DAVOISNE, C., DRAŽIĆ, Goran, BUDIČ, Bojan, DOMINKO, Robert, MASQUELIER, Christian. Singular structural and electrochemical properties in highly defective LiFePO [sub] 4 powders. Chemistry of materials, 2015, vol. 27, 4261-4273.

    3. VIŽINTIN, Alen, LOZINŠEK, Matic, KUMAR CHELLAPPAN, Rajesh, FOIX, Dominique, KRAJNC, Andraž, MALI, Gregor, DRAŽIĆ, Goran, GENORIO, Boštjan, DEDRYVÈRE, Rémi, DOMINKO, Robert. Fluorinated reduced graphene oxide as an interlayer in Li-S batteries. Chemistry of materials, 2015, vol. 27, 7070-7081.

    4. PASTRANA-MARTINEZ, L. M., GOMES, Helder T., DRAŽIĆ, Goran, FARIA, Joaquim Luís, SILVA, Adrián M. T. Hydrothermal synthesis of iron oxide photo-fenton catalysts : the effect of parameters on morphology, particle size and catalytic efficiency. Global NEST journal, 2014, vol. 16, 474-484.

    Doc. dr. Ivan Jerman:

    Docent za področje kemije na Fakulteti za tehnologije in sisteme v Novem Mestu

    1. PIRNAT, Klemen, BITENC, Jan, JERMAN, Ivan, DOMINKO, Robert, GENORIO, Boštjan. Redox-active functionalized graphene nanoribbons as electrode material for Li-ion batteries, ChemElectroChem, 2014, vol. 1, 2131-2137.

    2. MIHELČIČ, Mohor, ŠURCA VUK, Angela, JERMAN, Ivan, OREL, Boris, ŠVEGL, Franc, MOULKI, Hakim, FAURE, Cyril, CAMPET, Guy, ROUGIER, Aline. Comparison of electrochromic properties of Ni1-xO in lithium and lithium-free aprotic electrolytes: from Ni1-xO pigment coatings to flexible electrochromic devices. Solar energy materials and solar cells, 2014, vol. 120, 116-130.

    3. MIHELČIČ, Mohor, JERMAN, Ivan, OREL, Boris. Preparation of electrochromic Ni1-xO and TiO2 coatings from pigment dispersions and their application in electrochromic foil based devices, Progress in organic coatings, 2013, Vol. 76, 1752-1755.

    4. STATHATOS, Elias, JOVANOVSKI, Vasko, OREL, Boris, JERMAN, Ivan, LIANOS, Panagiotis. Dye-sensitized solar cells made by using a polysilsesquiixane polymeric ionic fluid as redox electrolyte. The journal of physical chemistry C, Nanomaterials and interfaces, 2007, vol. 111 C, 6528-6532.

    Univerzitetna koda predmeta: 2ZMA18

    Letnik: 2

    Semester: 1

    Nosilec predmeta:

    Predavatelj:

    ECTS: 6

    Obseg:

    • Predavanja: 20 ur
    • Seminar: 10 ur
    • Samostojno delo: 120 ur

    Vrsta predmeta: izbirni

    Jeziki: slovenski / angleški

    Metode poučevanja in učenja:
    predavanja, laboratorijsko delo (sinteza, funkcionalizacija, interakcije med nanodelci in urejanje, vrednotenje), seminarska naloga