Zielony magazyn energii z polskiej uczelni

Na Uniwersytecie Jagiellońskim ucze­ni opra­co­wa­li eko­lo­gicz­ną meto­dę pro­duk­cji maga­zy­nów ener­gii. Wskazują, że sto­so­wa­nie się do kodek­su zie­lo­nej che­mii prę­dzej czy póź­niej sta­nie się koniecz­no­ścią, a alter­na­tyw­ne meto­dy pro­duk­cji aku­mu­la­to­rów pozwa­la­ją unie­za­leż­nić się od dostaw­ców rzad­kich, kosz­tow­nych i szko­dli­wych dla śro­do­wi­ska surow­ców. Polski maga­zyn ener­gii może być wydaj­ny i ekologiczny.

Prognozy ana­li­ty­ków BloombergNEF wska­zu­ją, że do 2030 r. rynek maga­zy­nów ener­gii w ska­li glo­bal­nej uro­śnie 15-​krotnie. Wyzwaniem sta­je się dostęp do mate­ria­łów rzad­kich, bar­dzo podat­nych na wzrost cen. Chodzi przede wszyst­kim o kobalt, nikiel i lit, ale tak­że o inne surow­ce, jak np. gra­fit potrzeb­ny do wypro­du­ko­wa­nia anod. Polscy ucze­ni z Centrum Transferu Technologii UJ zna­leź­li na to spo­sób.

Bateria wyższej mocy

CAG tech­no­lo­gia, któ­ra pozwa­la wytwa­rzać mate­ria­ły ano­do­we w opar­ciu o żel węglo­wy – car­bo­gel. Pozyskuje się go się ze ze skro­bi, czy­li na przy­kład z ryżu, ziem­nia­ków czy kuku­ry­dzy. Następnie skro­bia prze­cho­dzi żela­ty­ni­za­cję z uży­ciem wody (pro­ce­sy zie­lo­nej che­mii) i final­nie kon­tro­lo­wa­ną piro­li­zę ze spa­la­niem wydzie­la­ją­cych się gazów. 

CAG pozwa­la cał­ko­wi­cie zastą­pić w pro­duk­cji aku­mu­la­to­rów pozy­ski­wa­ny z paliw kopal­nych gra­fit, bez uszczerb­ku na wydaj­no­ści bate­rii. Wykazuje porów­ny­wal­ną gęstość ener­gii do aku­mu­la­to­rów z natu­ral­nym gra­fi­tem, a dodat­ko­wo ma tę prze­wa­gę, że pozwa­la na uzy­ska­nie wyż­szej mocy.

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. 

prof. Marcin Molenda, kie­ru­ją­cy na UJ Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów.

Bez kobaltu

Z kolei LKMNO jest autor­ską tech­no­lo­gią, któ­ra pozwa­la wypro­du­ko­wać wyso­ko­na­pię­cio­we kato­dy do aku­mu­la­to­rów litowo-​jonowych. W porów­na­niu do mate­ria­łów NMC nie potrze­bu­je kobal­tu, 5‑krotnie obni­ża ilość niklu i 2‑krotnie litu. Produkcja opie­ra się na wod­nej tech­ni­ce, z eta­pem susze­nia kon­den­sa­cyj­ne­go i kal­cy­na­cji w umiar­ko­wa­nych tem­pe­ra­tu­rach czy­li przy niskiej energochłonności. 

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.

prof. Marcin Molenda

Co istot­ne, taka kato­dę powsta­je w eko­lo­gicz­nym mode­lu one-​pot. To ozna­cza, że 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 CAG i elek­tro­li­tem wyko­rzy­sty­wa­nym we współ­cze­snych ogni­wach litowo-​jonowych. LKMNO nada­je się do pro­duk­cji ogniw o dużej mocy i dużej pojem­no­ści, m.in. do pojaz­dów z napę­dem elek­trycz­nym (BEV).

Akumulator zabezpieczony przed samozapłonem

Prof. Marcin Molenda wska­zu­je na jesz­cze inną tech­no­lo­gię wła­sne­go autor­stwa – CCL (Carbon Conductive Layer). Polega ona na pre­cy­zyj­nym pokry­wa­niu zawar­tych w maga­zy­nach ener­gii mate­ria­łów aktyw­nych cien­ką powło­ką węglo­wą, o gru­bo­ści zale­d­wie kil­ku nano­me­trów. Pozwala dokład­nie zapro­jek­to­wać para­me­try maga­zy­nu, w tym czas roz­ła­do­wa­nia czy limi­ty obcią­żeń. W dodat­ku w zasa­dzie wyeli­mi­no­wa­no dzię­ki temu 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.

prof. Marcin Molenda

Podobnie jak inne tech­no­lo­gie opra­co­wa­ne przez zespół z UJ, rów­nież przy CCL zasto­so­wa­no pro­ces zie­lo­nej che­mii, wiec przy pro­duk­cji nie powsta­ją żad­ne odpa­dy. Technologię CCL moż­na zasto­so­wać w ogni­wach litowo-​jonowych. Testy pro­to­ty­pów wyka­za­ły wyso­ką żywot­ność aku­mu­la­to­rów się­ga­ją­cą aż 3 tys. cykli.

Polski magazyn energii czeka na inwestora

Opracowane tech­no­lo­gie aku­mu­la­to­ro­we mają ogrom­ny poten­cjał wdro­że­nio­wy. Ważne jest, by na rynek wpro­wa­dzał je pod­miot o odpo­wied­nio boga­tym doświad­cze­niu i ska­li działania. 

– mówi dr inż. Gabriela Konopka-​Cupiał, Dyrektor Centrum Transferu Technologii CITTRU.

Zespół Technologii Materiałów i Nanomateriałów Uniwersytetu Jagiellońskiego objął swo­je wyna­laz­ki ochro­ną paten­to­wą. Na potrze­by komer­cja­li­za­cji tech­no­lo­gii jej twór­ca zało­żył przy spół­kę UJ MarCelLi Adv Tech. Uczeni dekla­ru­ją, że są goto­wi współ­pra­co­wać z pod­mio­ta­mi zewnętrznymi.