Zespół naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego zaproponował rozwiązania, które mogą zmienić problematyczny sposób produkcji akumulatorów, a także wyeliminować kosztowne i szkodliwe dla środowiska surowce. Co więcej, innowacyjne technologie są już gotowe do wdrożenia w produkcji. 

Produkcja baterii potrzebuje rewolucji 

W dobie wycofywania paliw kopalnych, a co za tym idzie transformacji energetyki i transportu, rozwiązania, jak akumulatory, baterie czy magazyny energii to technologie niezbędne. Już teraz obserwujemy znaczący wzrost zapotrzebowania na tego typu urządzenia – o ile jeszcze w 2018 r. globalny popyt na energię z akumulatorów litowo-jonowych (LiB) szacowano na 0,184 TWh rocznie, prognozy na 2030 r. mówią o 4,7 TWh. To oznacza ponad 25-krotny wzrost w ciągu 12 lat!

Tak dynamiczny rozwój stawia świat przed ogromnymi wyzwaniami, gdzie dwa z nich zasługują na szczególną uwagę:

Pierwszym jest potrzeba wytwarzania akumulatorów zgodnie z regulacjami i wytycznymi prawnymi, które wymuszają stosowanie metod sprzyjających ochronie środowiska naturalnego. Drugim jest ograniczona dostępność surowców – drogich i rzadkich metali oraz grafitu. Są to pierwiastki, które występują w nielicznych miejscach na świecie i, jak na globalne potrzeby, w stosunkowo niewielkich ilościach – wyjaśnia prof. Marcin Molenda, kierownik Zespołu Technologii Materiałów i Nanomateriałów na Uniwersytecie Jagiellońskim. 

W rezultacie branża producentów magazynów energii z każdym rokiem popada w coraz głębszą zależność energetyczną od państw, które mają dostęp do tych surowców. Poza tym rosnący popyt wpływa na szybki wzrost cen, co potęguje wyzwania ekonomiczne. Utrzymując status quo w produkcji akumulatorów doświadczymy drastycznego wzrostu kosztów energii, a przy okazji przyczynimy się do zanieczyszczenia naszej planety – dodaje. 

Naprzeciw tym problemom stają naukowcy z Zespołu Technologii Materiałów i Nanomateriałów, który działa przy Uniwersytecie Jagiellońskim. Celem ich pracy naukowej jest opracowanie alternatywnej metody produkcji akumulatorów, które pozwoliłyby wyeliminować rzadkie, szkodliwe i drogie metale. Co więcej, już im się to udało! Tajemnicą sukcesu jest wykorzystanie tzw. zielonej chemii. 

Anody z ryżu, ziemniaków i kukurydzy 

Pierwszym rozwiązaniem, które udało się opracować to zastąpienie grafitu, który wykorzystywany jest w produkcji akumulatorów przez tzw. carbogel. W dodatku nie powoduje to żadnego uszczerbku na wydajności baterii! 

Carbogel to materiał anodowy (elektrodę, przez którą prąd elektryczny wpływa do urządzenia) w oparciu o żel węglowy. Do stworzenia go naukowcy wykorzystują łatwo dostępne i odnawialne źródła, czyli skrobię ekstrahowaną np. z ryżu, ziemniaków czy kukurydzy. Następnie jest ona poddawana żelatynizacji z użyciem wody i pirolizie. 

Co więcej, zastosowanie tej metody w produkcji baterii pozwala na obniżenie śladu węglowego całego procesu (wytwarzanie anody jest całkowicie bezemisyjne) i sprawia, że łańcuch dostaw surowca jest zdecydowanie bardziej bezpieczny. 

Opracowany carbogel jest odpowiedni do produkcji zielonych ogniw litowo-jonowych o obniżonym śladzie węglowym. Ogromną korzyścią jest przy tym swobodny dostęp do surowca i całkowite uniezależnienie się od zagranicznych dostawców grafitu. CAG wykazuje porównywalną gęstość energii w porównaniu do akumulatorów z naturalnym grafitem, a dodatkowo ma tę przewagę, że pozwala na uzyskanie wyższej mocy – tłumaczy prof. Marcin Molenda. 

Akumulatory bez kobaltu 

A to nie jedyny przełom, który opracowali uczeni z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Oprócz anod ze skrobi, Zespół Technologii Materiałów i Nanomateriałów stworzyli autorską technologię LKMNO, która pozwala wyprodukować wysokonapięciowe katody (inny rodzaj elektrody, przez którą prąd elektryczny wpływa do urządzenia) bez wykorzystania kobaltu. W procesie produkcji zostały zminimalizowane również ilości innych metali rzadkich: nikiel 5-krotnie, a lt 2-krotnie. 

Ta metoda oparta jest również na zielonej chemii, a dokładniej wodzie. Dzięki temu produkcja takiego ogniwa jest nisko energochłonna, a w trakcie niego nie powstają żadne stałe czy płynne odpady, a gazy procesowe są przetwarzane do dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej. Katodę LKMNO można bez problemu zintegrować z różnymi rodzajami anod (w tym z opisanym powyżej CAG) i elektrolitem wykorzystywanym we współczesnych ogniwach litowo-jonowych. LKMNO jest odpowiedni do produkcji dedykowanych ogniw o dużej mocy i dużej pojemności m.in. do pojazdów z napędem elektrycznym (BEV).

• Czy wiesz, że w Polsce za ponad powstaje zakład recyklingu baterii aut elektrycznych, jeden z pierwszych w UE. 

Koszt wytworzenia katody LKMNO jest dwukrotnie mniejszy w porównaniu z kosztami produkcji najnowocześniejszych katod klasy NMC, w których jest nikiel, mangan i kobalt. Dodatkową przewagą naszego rozwiązania jest to, iż użyty w akumulatorze lit, którego potrzeba dwukrotnie mniej niż w NMC, jest w pełni efektywny. We współczesnych bateriach litowo-jonowych lit, który jest dość kosztowny, pracuje w około 50 proc. To czyste marnotrawstwo. W modelu LKMNO jest on wykorzystany w 100% – tłumaczy kierownik Zespołu Technologii Materiałów i Nanomateriałów. 

Koniec z pożarami elektryków 

Jakby tego było mało, prof. Marcin Molenda opracował akumulatory nowej generacji, które eliminują ryzyko samozapłonu – Carbon Conductive Layer, w skrócie CCL. To nanotechnologiczna metoda precyzyjnego pokrywania zawartych w magazynach energii materiałów aktywnych cienką powłoką węglową o grubości zaledwie kilku nanometrów. Testy prototypów zbudowanych z wykorzystaniem technologii CCL wykazały wysoką żywotność akumulatorów sięgającą aż 3000 cykli. 

Podobnie jak w przypadku innych technologii opracowanych na UJ, nanokompozyt CCL jest wytwarzany w procesie zielonej chemii. Po polimeryzacji, w którym pośredniczy woda, następuje impregnacja materiału aktywnego i kontrolowana piroliza ze spalaniem wydzielonych gazów. W produkcji nie powstają żadne odpady. Technologię CCL można zastosować w ogniwach litowo-jonowych. 

Taka bateria, nawet gdy dojdzie w niej do zwarcia, będzie rozładowywać się znacznie wolniej i nie ulegnie samozapłonowi. Powłoka CCL pokrywa na tyle szczelnie i trwale materiał aktywny, że nawet w przypadku, gdy ma on porowatą strukturę, dostaje się ona w zagłębienia, a przy znacznych wahaniach temperatur utrzymuje się ona na swojej pozycji – dodał prof. Marcin Molenda. 

• Przeczytaj też: Pożar samochodu elektrycznego. Gaszenie go nie jest tak trudne, jak wielu myśli. 

Technologie gotowe do wprowadzenia na rynek 

Obecnie Centrum Transferu Technologii UJ (CITTRU)  pracuje nad tym, aby nowe technologie ujrzały światło dzienne. W tym celu szukają inwestorów lub producentów magazynów energii, którzy pomogą w komercjalizacji opatentowanych rozwiązań. Naukowcy z UJ są gotowi współpracować z podmiotami zewnętrznymi na każdym etapie podnoszenia poziomu gotowości technologicznej w całym procesie – od przygotowania surowców, do recyklingu.

Według Dyrekcji Centrum Transferu Technologii CITTRU, technologie opracowane przez zespół naukowy pod opieką prof. Marcina Molendy mają ogromny potencjał wdrożeniowy, a co więcej mogą pozwolić na zbudowanie przewagi konkurencyjnej. 

Źródło i fot. główna: Centrum Transferu Technologii CITTRU UJ

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.