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.
Spis treści
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.
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.