Dodano: 26 czerwiec 2023r.

Rewolucja w produkcji akumulatorów i magazynów energii? Trzy wynalazki badaczy z UJ

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali technologie, które mogą zrewolucjonizować produkcję akumulatorów i magazynów energii. Testy prototypowych baterii wykazały porównywalne lub lepsze nawet parametry od tych obecnie produkowanych. Co więcej, opracowane metody pozwalają na produkcję akumulatorów bez kosztownych metali i grafitu.

Rewolucja w produkcji akumulatorów i magazynów energii? Trzy wynalazki badaczy z UJ

 

Za nową technologią do produkcji baterii stoi profesor Marcin Molenda, który kieruje Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Uczony wraz z zespołem od lat bada i analizuje sposoby wytwarzania nowych typów magazynów energii oraz poszukuje możliwości utylizacji i odzysku surowców do ich ponownego wykorzystania. Opracowane rozwiązania dają szansę pojawienia się nowych produktów na rynku magazynów energii i akumulatorów, w tym również tych przeznaczonych do pojazdów z napędem elektrycznym.

Niektóre z opracowanych metod nie pozostawiają śladu węglowego, a prototypy akumulatorów wykazują porównywalne lub lepsze parametry od tych obecnie produkowanych. Według profesora Molendy, 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.

Anody bez grafitu

Rozwiązania zaproponowane przez zespół z UJ obejmują wytwarzanie anod ze skrobi (CAG) i katod bez kobaltu, z niewielką ilością niklu (LKMNO). Opracowana przez zespół technologia CAG pozwala wytwarzać materiały anodowe w oparciu o żel węglowy (carbogel), który pozyskiwany ze skrobi, czyli całkowicie odnawialnego źródła. Skrobia ekstrahowana np. z ryżu, ziemniaków czy kukurydzy poddawana jest m.in. żelatynizacji z użyciem wody (procesy zielonej chemii), a następnie kontrolowanej pirolizie ze spalaniem wydzielających się gazów.

CAG pozwala całkowicie zastąpić w produkcji akumulatorów grafit naturalny oraz grafit syntetyczny (pozyskiwany z paliw kopalnych) bez uszczerbku na wydajności baterii. Metoda zapewnia przy tym zerowy ślad węglowy na poziomie anody i – co najważniejsze – oparta jest na bezpiecznym łańcuchu dostaw surowca. Materiał anody CAG można zintegrować z dowolną klasą najnowocześniejszych katod w ogniwach litowo-jonowych. Wykonane testy potwierdziły wysoką żywotność anod CAG na poziomie ponad 1500 cykli (naładowanie / rozładowanie).

- 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. Molenda.

Katody bez kobaltu

LKMNO jest również autorską technologią zespołu prof. Molendy. Pozwala wyprodukować wysokonapięciowe katody do akumulatorów litowo-jonowych bez udziału kobaltu, z 5-krotnie mniejszą ilością niklu i 2-krotnie mniejszą ilością litu (w porównaniu do materiałów NMC). Tego rodzaju katoda również jest wytwarzana w procesie zielonej chemii. Produkcja oparta jest na wodnej technice, z etapem suszenia kondensacyjnego i kalcynacji w umiarkowanych temperaturach. To oznacza stosunkowo niską energochłonność produkcji ogniwa.

Co istotne, taką katodę produkuje się w ekologicznym modelu ‘one-pot’ – nie powstają w nim 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).

- 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 procentach – wyjaśnia prof. Molenda.

Zabezpieczenie przed samozapłonem

Prof. Marcin Molenda wskazuje na jeszcze inną technologię własnego autorstwa – CCL (Carbon Conductive Layer). To nanotechnologiczna metoda precyzyjnego pokrywania zawartych w magazynach energii materiałów aktywnych (katodowych i/lub anodowych) cienką powłoką węglową o grubości zaledwie kilku nanometrów. Zespół naukowców z UJ wie, w jaki sposób ustalać grubość takiej powłoki na etapie produkcji materiału do baterii, dzięki czemu można zaprojektować przeznaczenie i sposób działania akumulatora poprzez ustalenie w nim takich parametrów, jak czas rozładowania czy limity obciążeń. Powłoka jest na tyle skuteczna, że w akumulatorach nie trzeba już stosować żadnego dodatku materiału węglowego, a to oznacza, że można w nich znacznie zagęszczać energię. Nie to jednak jest głównym atutem tego wynalazku. Jest nią bardzo wysoki poziom bezpieczeństwa akumulatorów, w których w zasadzie wyeliminowano ryzyko samozapłonu.

- 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. Nasza powłoka CCL eliminuje takie ryzyko, ponieważ ziarna materiału aktywnego w akumulatorze są szczelnie pokryte, co skutecznie je od siebie oddziela. 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 – mówi prof. Marcin Molenda.

Podobnie jak inne technologie opracowane przez zespół z UJ, również i CCL jest wytwarzany w procesie zielonej chemii – po procesie 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. Testy prototypów zbudowanych z wykorzystaniem technologii CCL wykazały wysoką żywotność akumulatorów sięgającą aż 3000 cykli.

 

Źródło i fot.: Uniwersytet Jagielloński/ Centrum Transferu Technologii CITTRU