Polacy zrewolucjonizują produkcję akumulatorów?
Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali technologie materiałowe magazynowania energii, które pozwolą uniezależnić się od zagranicznych dostawców drogich metali i grafitu potrzebnych do produkcji akumulatorów.
Najstarsza uczelnia w Polsce pisze w aktualnościach, że zaproponowane przez jej naukowców technologie spełniają wymogi zielonej chemii, produkcja niektórych z nich nie pozostawia śladu węglowego, a prototypy akumulatorów wykazują porównywalne lub lepsze parametry od tych obecnie produkowanych.
Na czele zespołu, który dokonał tych przełomowych badań stał profesor Marcin Molenda, kierownik Zespołu Technologii Materiałów i Nanomateriałów Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Wyniki badań naukowców z UJ dają szansę pojawienia się nowych produktów na rynku magazynów energii i akumulatorów, a także pojazdów z napędem elektrycznym.
UJ podkreśla, że kierowany przez profesora Molendę zespół od lat w sposób holistyczny pracuje nad rozwojem ekologicznej energetyki konsumenckiej, w tym nad opracowaniem sposobów wytwarzania nowych typów magazynów energii, jak również badaniem szeregu parametrów w trakcie obciążeń i eksploatacji oraz poszukiwaniem możliwości utylizacji i odzysku surowców do ich ponownego wykorzystania.
Zespół naukowców przez kilkanaście lat prowadził badania, z których wyniki malują się obiecująco. Ich zdaniem możliwe jest wprowadzenie systemowych zmian w produkcji wysokonapięciowych akumulatorów. Profesor Molenda uważa, że stosując rozwiązania tzw. zielonej chemii można produkować na wielką skalę bardziej ekologiczne magazyny energii i uniezależnić się od dostawców rzadkich, kosztownych i szkodliwych dla środowiska surowców, które dziś na masową skalę są wykorzystywane do produkcji akumulatorów – metali, ale też grafitu.
Jedną z opracowanych przez zespół profesora Molendy technologii jest CAG (Anody ze skrobii), która pozwala wytwarzać materiały anodowe w oparciu o żel węglowy (carbogel) - ozyskiwany ze skrobi, czyli całkowicie odnawialnego źródła. UJ zaznacza, że CAG pozwala całkowicie zastąpić w produkcji akumulatorów grafit naturalny oraz grafit syntetyczny (pozyskiwany z paliw kopalnych) bez uszczerbku na wydajności baterii. Tym samym przełomowa metoda zapewnia zerowy ślad węglowy na poziomie anody i zapewnia bezpieczny łańcuch dostaw surowca. Materiał anody CAG można zintegrować z dowolną klasą najnowocześniejszych katod w ogniwach litowo-jonowych – czytamy dalej, a wykonane testy potwierdziły wysoką żywotność anod CAG na poziomie ponad 1500 cykli (naładowanie / rozładowanie).
„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” – wyjaśnia prof. Marcin Molenda, kierujący na UJ Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów.
Naukowcy z UJ nie opracowali jedynie technologii CAG, ale również LKMNO, która – jak zaznaczono w aktualnościach - w porównaniu do współcześnie produkowanych akumulatorów litowo-jonowych pozwala wyprodukować wysokonapięciowe katody bez udziału kobaltu, z 5-krotnie mniejszą ilością niklu i 2-krotnie mniejszą ilością litu (w porównaniu do materiałów NMC). Również i w przypadku LKMNO katoda wytwarzana jest w procesie zielonej chemii - oparta jest na wodnej technice, z etapem suszenia kondensacyjnego i kalcynacji w umiarkowanych temperaturach. Produkcja ogniwa ma więc stosunkowo niską energochłonność. Katodę LKMNO można bez problemu zintegrować z różnymi rodzajami anod (w tym z opisanym powyżej CAG) i elektrolitem wykorzystywanym we współczesnych ogniwach litowo-jonowych, pisze dalej UJ, zaznaczając że LKMNO jest odpowiedni do produkcji dedykowanych ogniw o dużej mocy i dużej pojemności m.in. do pojazdów z napędem elektrycznym (BEV).
„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%. To czyste marnotrawstwo. W modelu LKMNO jest on wykorzystany w 100 %” – tłumaczył dalej prof. Marcin Molenda.
Trzecią autorską technologią opracowaną przez zespół prof. Molendy jest cienka powłoka węglowa zabezpieczająca akumulator przed samozapłonem – CCL (Carbon Conductive Layer). Również i to odkrycie ma szansę stworzenia akumulatorów nowej generacji.
„Materiał węglowy dodawany do akumulatorów ma na celu zapewnić odpowiednie przewodnictwo elektryczne. Dotychczas stosowane technologie nie pozwalają jednak w precyzyjny sposób rozmieszczać cząsteczek węglowych pomiędzy ziarnami materiałów aktywnych. W rezultacie do akumulatorów dodawane są znaczne ilości węgla, a im jest go więcej, tym mniejsze są możliwości zagęszczania w nich energii. Ponieważ akumulator podczas pracy podlega wahaniom temperatury, przy nierównomiernie rozmieszczonych cząsteczkach materiału węglowego wzrasta ryzyko uruchomienia nieodwracalnej reakcji samozapłonu akumulatora. Powłoka CCL eliminuje takie ryzyko, ponieważ ziarna materiału aktywnego w akumulatorze są szczelnie pokryte powłoką, przez co są one od siebie skutecznie oddzielone. 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” – wyjaśnia prof. Marcin Molenda.
