Akumulatory zielonej energii

Magazynowanie energii to obecnie jedno z najważniejszych technologicznych wyzwań, które pozwoliłoby nam ograniczyć szkodliwe emisje przejść na bardziej zrównoważoną politykę energetyczną. Jako że wszelkie innowacje w tej branży przykuwają uwagę wielu osób, warto przy tej okazji przybliżyć te technologie materiałowe, które zostały opracowane na naszym rodzimym podwórku i które pozwolą uniezależnić się od zagranicznych dostawców drogich metali i grafitu potrzebnych do produkcji akumulatorów. 

Nasze globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną postępuje w zastraszającym tempie. W 2018 roku czerpaliśmy z akumulatorów litowo-jonowych 0,184 TWh rocznie. Szacunki mówią, że w 2030 będzie to aż 4,7 TWh. Nasze elektryczne potrzeby w ciągu najbliższych lat wzrosną więc aż 25 razy. I nie chodzi tu tylko o coraz bardziej rozwijający się rynek samochodów elektrycznych (który, swoją drogą, ma w najbliższej dekadzie wzrosnąć 10-krotnie) oraz o postępujący popyt na coraz mniej żywotne smartfony. Z roku na rok przybywa także liczba osób korzystających z instalacji fotowoltaicznych, z czym już dzisiaj nie radzą sobie lokalne sieci energetyczne, które najzwyczajniej w świecie nie są w stanie przyjmować tak dużych dawek energii. Z tego też powodu coraz szybciej rośnie zapotrzebowanie na lokalne magazyny energii, które mogłyby zaspokoić potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych albo zakładów pracy (w skali globalnej do 2030 roku zapotrzebowanie to wzrośnie aż 15-krotnie).

Z powyższych szacunków wyłania się jeden zasadniczy problem – trzeba tę potężną ilość akumulatorów wyprodukować. Dlaczego problem? Cóż, przede wszystkim dlatego, że do ich wytworzenia stosuje się ogromne ilości rzadkich i trudnodostępnych pierwiastków, które posiadają jedną, dosyć kluczową cechę – ich zasoby są ograniczone. Występują tylko w paru miejscach na świecie, jest ich niewiele i są trudne do ponownego „odkopania” z elektrośmieci. A to oznacza, że, obok wyzwań natury logistycznej, stoją także te klimatyczne, technologiczne oraz ekonomiczne. Potrzebna jest więc alternatywa. Taka, która wyeliminuje z produkcji szkodliwe, rzadkie i drogie pierwiastki, zmniejszy koszty produkcji i jednocześnie zapewni podobną wydajność, spełni normy bezpieczeństwa oraz umożliwi prowadzenie produkcji na szeroką skalę.

Rozwiązania, które dają szansę pojawienia się nowych produktów na rynku magazynów energii i akumulatorów, w tym również tych przeznaczonych do pojazdów z napędem elektrycznym tak naprawdę już tu są. Naukowcy od lat pracują nad rozwojem ekologicznej energetyki konsumenckiej. Podejście to uwzględnia opracowanie sposobów wytwarzania nowych typów magazynów energii oraz badania szeregu parametrów w trakcie obciążeń i eksploatacji oraz poszukiwania możliwości utylizacji i odzysku surowców do ich ponownego wykorzystania. Wprowadzenie systemowych zmian w produkcji wysokonapięciowych akumulatorów możliwe jest właściwie już teraz, a 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. Przyjrzyjmy się więc kilku proponowanym rozwiązaniom.

Pierwszym ciekawym proponowanym rozwiązaniem są anody produkowane z całkowicie odnawialnego źródła, jakim są… ziemniaki, ryż bądź kukurydza. A dokładniej – wyekstrahowana z nich skrobia. Z której z kolei pozyskuje się żel węglowy, zastępujący całkowicie grafit (zarówno ten naturalny, jak i syntetyczny, pozyskiwany z paliw kopalnych) bez jakiegokolwiek uszczerbku na wydajności baterii. To zero-emisyjna metoda oparta na bezpiecznym łańcuchu dostaw surowca, który można pozyskiwać w zasadzie wszędzie. Takie skrobiowe anody cechują się żywotnością nawet 1500 cykli naładowania i rozładowania.  

Inną autorską metodą naszych rodzimych badaczy jest technologia produkcji wysokonapięciowych katod zarówno bez udziału kobaltu, jak i z kilkukrotnie niższą zawartością niklu oraz dwukrotnie mniejszą ilością litu. Koszt jej wytworzenia jest dwa razy niższy, a lit, którego potrzeba znacznie mniej, wykorzystywany jest w 100 procentach (we współczesnych bateriach pracuje jedynie w około 50%). Jest ona oparta na wodnej technice „one-pot”, która pozbawiona jest stałych i płynnych odpadów i świetnie sprawdzi się w ogniwach o dużej mocy i pojemności. Takich jak te, używane w pojazdach z napędem elektrycznym. 

No i jest jeszcze jedna niezwykła i bardzo ważna technologiczna innowacja. Nasi rodzimi badacze stworzyli także cienkie powłoki węglowe, które w zasadzie eliminują ryzyko samozapłonu akumulatora. To dosyć istotna sprawa w czasach „co rusz” zapalających się elektryków. Akumulator podczas pracy podlega licznym wahaniom temperatury. Materiał węglowy, który jest umieszczony pomiędzy ziarnami materiałów aktywnych ma na celu zadbać tam o odpowiednie przewodnictwo elektryczne. Nie jest on jednak rozmieszczony równomiernie, stąd też może w związku z takimi wahnięciami temperatury uruchomić nieodwracalną reakcję samozapłonu akumulatora. Nowa powłoka węglowa o grubości zaledwie kilku nanometrów sprawia natomiast, że ziarna materiału aktywnego są nią bardzo szczelnie przykryte, a tym samym także skutecznie od siebie oddzielone. Tak więc, nawet gdy w takiej baterii dojdzie do zwarcia, wówczas będzie ona rozładowywać się znacznie wolniej (a nie kaskadowo), przez co nie ulegnie samozapłonowi. To ogromny krok w stronę bezpieczeństwa litowo-jonowych akumulatorów.

Opracowane technologie mają ogromny potencjał wdrożeniowy. Zaproponowane przez naukowców rozwiązania spełniają wymogi zielonej chemii, produkcja wielu z nich nie pozostawia śladu węglowego, a prototypy akumulatorów wykazują porównywalne lub lepsze parametry od tych obecnie produkowanych. Obecnie brakuje już tylko ostatniego kroku – aby nowe technologie wreszcie ujrzały światło dzienne i trafiły do procesów produkcyjnych.

—-

Wynalazki opracowane zostały przez Zespół Technologii Materiałów i Nanomateriałów Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz objęte są ochroną patentową.