Anody ze skrobi, katody bez kobaltu. Nowa generacja akumulatorów stworzona i testowana przez naukowców UJ

Profesor Marcin Molenda, który kieruje Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego wraz z zespołem opracował rozwiązania, które dają szansę pojawienia się nowych produktów na rynku magazynów energii i akumulatorów, w tym również tych przeznaczonych do pojazdów z napędem elektrycznym. Kierowany przez profesora zespół od lat w sposób holistyczny pracuje nad rozwojem ekologicznej energetyki konsumenckiej. Jego badania obejmują sposoby wytwarzania nowych typów magazynów energii, analizy szeregu parametrów w trakcie obciążeń i eksploatacji oraz poszukiwanie możliwości utylizacji i odzysku surowców do ich ponownego wykorzystania.

Z rezultatów kilkunastoletnich badań wynika, że możliwe jest wprowadzenie systemowych zmian w produkcji wysokonapięciowych akumulatorów. Według profesora 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.

CAG to jedna z technologii opracowanych przez zespół prof. Molendy. Pozwala wytwarzać materiały anodowe w oparciu o żel węglowy (carbogel). Carbogel jest 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).

„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, kierujący na UJ Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów.

Z kolei LKMNO jest autorską technologią, która 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. Marcin Molenda.

Prof. Marcin Molenda wskazuje na jeszcze inną technologię własnego autorstwa – CCL (Carbon Conductive Layer), której zastosowanie daje szansę na stworzenie akumulatorów nowej generacji. CCL 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.

Prognozy rozwoju rynku mówią jednoznacznie, że w perspektywie najbliższych 7 lat globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną z różnego rodzaju akumulatorów, baterii czy magazynów energii wzrośnie co najmniej kilkukrotnie, a w niektórych branżach nawet kilkunastokrotnie. Czynnikami tak dużego wzrostu jest przede wszystkim nowelizacja przepisów klimatycznych. Znaczący udział w rozwoju rynku akumulatorów ma również rosnący segment pojazdów elektrycznych, jak i szybko powiększająca się sieć lokalnych prosumentów wytwarzających energię z instalacji fotowoltaicznych. Ze względu na problemy w przesyłaniu do sieci energetycznej energii od prosumentów oraz na warunki jej rozliczania, szybko rośnie zapotrzebowanie na lokalne magazyny energii zdolne zaspokoić potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych czy zakładów pracy.

Skalę wzrostu rynku magazynów energii dobrze oddają liczby. Dla przykładu: o ile jeszcze w 2018 r. globalne zapotrzebowanie 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 potrzeb w ciągu 12 lat (źródło: Lithium-ion battery demand forecast for 2030 | McKinsey). Według prognoz Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych (PSPA) do 2030 r. tylko w Polsce liczba pojazdów z napędem elektrycznym zwiększy się 10-krotnie, choć i tak tempo rozwoju naszego rynku jest w wolniejsze w porównaniu ze średnią dla UE (źródło: PSPA: „Polish EV Outlook 2023”). Prognozy analityków BloombergNEF wskazują, że do 2030 r. rynek magazynów energii w skali globalnej urośnie aż 15-krotnie. Ktoś musi wyprodukować tak potężną ilość akumulatorów, a przecież do ich wytworzenia stosuje się duże ilości szkodliwych pierwiastków, które w dodatku są materiałem rzadkim, przez co trudno dostępnym i bardzo podatnym na wzrost cen. Chodzi przede wszystkim o metale, takie jak kobalt, nikiel i lit, ale także o inne surowce jak np. grafit potrzebny do wyprodukowania anod.

„Przy tak ogromnym i szybkim rozwoju rynku świat już teraz staje wobec dwóch zasadniczych wyzwań. 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. W rezultacie branża producentów magazynów energii z każdym rokiem popada w coraz głębszą zależność energetyczną od państw, które mają dostęp do tych surowców. Paza 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” – wyjaśnia prof. Marcin Molenda.

W branży wytwórców magazynów energii stosowanie się do kodeksu zielonej chemii prędzej czy później stanie się więc koniecznością. W bliskiej perspektywie konieczne też będzie wdrażanie alternatywnych metod produkcji akumulatorów, tak by wyeliminować rzadkie, szkodliwe i drogie metale. Potrzeby są na tyle palące, że na drugi plan schodzą parametry wydajnościowe i efektywnościowe akumulatorów. Ważniejsze jest, by były one tańsze w produkcji, utrzymywały podobną trwałość i wydajność, spełniały normy bezpieczeństwa i by dało się je produkować na wielką skalę w oparciu o stabilną bazę surowcową i bezpieczne łańcuchy dostaw.

Wynalazki opracowane przez Zespół Technologii Materiałów i Nanomateriałów Uniwersytetu Jagiellońskiego objęte są ochroną patentową. Obecnie Centrum Transferu Technologii UJ (CITTRU) pracuje nad tym, by nowe technologie ujrzały światło dzienne poprzez wprowadzenie innowacji do procesów produkcyjnych. Aby to się stało, potrzebna jest współpraca z inwestorem lub producentem magazynów energii, który gotów będzie zbudować instalację pilotażową i ustandaryzować produkcję nowego typu ogniw w skali przemysłowej. Na potrzeby komercjalizacji technologii jej twórca założył przy UJ spółkę typu spin-off (UJ MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o.) oraz podpisana została warunkowa umowa licencyjna. Naukowcy z UJ są gotowi współpracować z podmiotami zewnętrznymi na każdym etapie podnoszenia poziomu gotowości technologicznej w całym procesie – od przygotowania surowców, do recyklingu.

„Opracowane technologie akumulatorowe mają ogromny potencjał wdrożeniowy. Ważne jest, by na rynek wprowadzał je podmiot o odpowiednio bogatym doświadczeniu i skali działania. Przyjmujemy wariant, w którym istniejący producent dzięki tym rozwiązaniom poprawi komponenty już produkowanych magazynów energii, zmniejszając przy tym koszty ich wytwarzania. Wyobrażamy sobie też sytuację, w której producent po prostu zdecyduje się wprowadzić na rynek nową generację akumulatorów, które będą bardziej bezpieczne w eksploatacji, ekologiczne, tańsze i bazujące na stabilnych łańcuchach dostaw surowców. Mamy w ręku kilka mocnych argumentów, które w tym segmencie pozwalają zbudować przewagę konkurencyjną” – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, Dyrektor Centrum Transferu Technologii CITTRU.

Źródło: Centrum Transferu Technologii CITTRU Uniwersytet Jagielloński