W Polsce powstają baterie nowej generacji. Nasi naukowcy pracują nad przełomem
Wytrzymałe, stabilne podczas ładowania i rozładowywania, wytworzone z ograniczonym użyciem surowców krytycznych, a przez to bardziej przyjazne dla środowiska – to mają być główne cechy baterii wysokiej mocy do zasilania np. dronów i samochodów, nad którymi pracuje zespół badawczy z Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej.
Naukowcy pracujący pod kierunkiem prof. Moniki Wilamowskiej-Zawłockiej skupiają się na nowych materiałach anodowych, które mogą zmienić reguły gry w branży energetycznej. Jednocześnie prowadzą badania nad efektywnym odzyskiem cennych surowców z zużytych ogniw litowo-jonowych, co ma kluczowe znaczenie dla przyszłości elektromobilności.
Więcej energii, mniej problemów
Standardowa bateria wysokiej mocy stosowana w dronach czy samochodach składa się z anody opartej o grafit oraz katody na bazie tlenków litowo niklowo-manganowo-kobaltowych.
W naszych bateriach litowo-jonowych nowej generacji wykorzystamy tlenowęgliki krzemu. Zapewniają nie tylko dobrą wytrzymałość mechaniczną i chemiczną, ale są również materiałami aktywnymi elektrochemicznie wobec jonów litu, co pozwoli na uzyskanie materiałów anodowych o znacznie wyższej pojemności elektrycznej niż stosowany komercyjnie „krytyczny” naturalny grafit – tłumaczy prof. Wilamowska-Zawłocka.
Jak podkreśla badaczka, pierwiastki tworzące stopy z litem oferują znacznie wyższą pojemność elektryczną niż tradycyjne anody grafitowe, dlatego stanowią główną drogę do zwiększenia pojemności anod w akumulatorach litowo-jonowych nowej generacji.
Jednak ich poważną wadę stanowi znaczna zmiana objętości podczas cykli ładowania i rozładowania, co prowadzi do degradacji i utraty wydajności w czasie użytkowania. To sprawia, że komercyjne baterie zawierające krzem są nadal rzadkością, lecz wiele firm pracuje nad opracowaniem tego typu anod. Naszym zadaniem będzie umieszczenie nanocząstek krzemu i cyny w odpowiednio zaprojektowanej matrycy, co zminimalizuje te problemy – mówi prof. Wilamowska-Zawłocka.
Miejskie kopalnie – przyszłość europejskiego rynku surowców
Naukowcy pracują nad opłacalnymi ekonomicznie i przyjaznymi dla środowiska metodami recyklingu służącymi do odzysku różnych komponentów baterii, w tym aktywnego materiału anodowego (grafit), materiału katodowego (kobalt, nikiel, mangan), kolektorów prądu (miedź, glin) oraz litu.
Firmy na świecie odzyskują już surowce z baterii litowo-jonowych, ale dzieje się to ciągle na zbyt małą skalę, biorąc pod uwagę wzrost zużytych baterii tego typu. Recykling ten nie jest tak rozwinięty jak innych typów baterii, a recykling bezpośredni, czyli taki, który odzyskuje aktywne materiały elektrodowe w ich pierwotnej strukturze, nadal pozostaje w skali laboratoryjnej – podkreśla badaczka.
Tymczasem według analiz i prognoz Międzynarodowej Agencji Energetycznej do 2030 r., co roku na całym świecie będzie generowanych 100-120 GWh zużytych baterii z pojazdów elektrycznych. Co więcej, prognozuje się, że liczba wycofanych z eksploatacji modułów baterii z pojazdów elektrycznych wzrośnie do 2030 r. o 4 mln t.
Więcej przeczytasz na Spider's Web:
Recykling i ponowne użycie baterii są zatem niezbędnymi sposobami zrównoważenia zapotrzebowania na surowce krytyczne: kobalt, nikiel, lit i grafit naturalny.
Przy czym kobalt to także duży problem geopolityczny. Europa musi posiadać kopalnie miejskie (urban mining) zajmujące się recyklingiem baterii. Na Zachodzie Europy jest to bardzo gorący temat – mówi prof. Wilamowska-Zawłocka.
Patenty na nowe baterie
Prof. Wilamowska-Zawłocka we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt oraz Uniwersytetu Mikołaja Kopernika zrealizowała wcześniej także projekt dotyczący nowatorskich i wydajnych materiałów elektrodowych do magazynowania jonów sodu w bateriach sodowo-jonowych, który zaowocował dwoma zgłoszeniami patentowymi.
Sód jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi. Sam sód nie jest materiałem krytycznym, ale również anody i katody mogą być uzyskane bez pierwiastków krytycznych. Anody baterii sodowo-jonowych są oparte o tzw. twarde węgle, które można uzyskać np. z biomasy, zaś katody mogą być na bazie żelaza czy manganu i nie zawierać „krytycznego” kobaltu.
Materiały te są tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska. Ponadto uzyskiwanie warstw elektrodowych może być oparte o wodne roztwory materiałów wiążących, co niebywale ułatwia późniejszy recykling – wylicza prof. Wilamowska-Zawłocka.
Sód ma jednak ograniczenia – jest kilkukrotnie cięższy niż lit, więc baterie mają mniejszą gęstość energii i mocy.
Takie baterie są też mniej trwałe, szybciej tracą pojemność elektryczną w trakcie wielokrotnego ładowania i rozładowania, głównie ze względu na większy rozmiar jonów sodu w porównaniu do jonów litu. Niemniej, ich rozwój jest bardzo dynamiczny i pojawiają się już na rynku pierwsze samochody z bateriami sodowo-jonowymi – dodaje badaczka.
