Uniwersytet Jagielloński szykuje rewolucję w magazynowaniu energii

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali rozwiązania, które mogą umożliwić uzależnienie się lokalnego przemysłu bateryjnego od drogich i generujących problemy logistyczne dostaw surowców. Pomóc ma w tym tzw. zielona chemia.

Rozwiązania, które opracowali naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego pod kierownictwem prof. Marcina Molendy, mają ułatwić i przyspieszyć rozwój baterii stosowanych w samochodach elektrycznych oraz stacjonarnych magazynach energii.

Zespół Technologii Materiałów i Nanomateriałów Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego prowadzi badania nad technologiami bateryjnymi od kilkunastu lat. Teraz naukowcy z Krakowa pochwalili się najnowszymi efektami prac nad akumulatorami wysokonapięciowymi.

REKLAMA

Skrobia zamiast grafitu

Zespół z krakowskiej uczelni opracował metodę określaną jako CAG. Ma ona umożliwiać produkcję baterii przy użyciu materiałów anodowych z wykorzystaniem tzw. żelu węglowego (carbogelu). Jest on otrzymywany ze skrobi pozyskiwanej z ryżu, ziemniaków lub kukurydzy, która jest poddawana żelatynizacji z użyciem wody, a następnie kontrolowanej pirolizie ze spalaniem wydzielających się gazów.

Zastosowanie CAG ma umożliwić zastąpienie materiałem zaproponowanym przez naukowców z UJ grafitu (naturalnego i syntetycznego) wykorzystywanego do budowy anod. Użycie nowego składnika ma przy tym nie pogarszać właściwości baterii.

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 (ładowanie/rozładowanie).

Zespół kierowany przez prof. Molendę podkreśla, że opracowany sposób budowy bateryjnych anod zapewnia zerowy ślad węglowy i bezpieczny łańcuch dostaw surowca.

– 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 – komentuje prof. Marcin Molenda.

Większe bezpieczeństwo akumulatora

Inne osiągnięcie zespołu kierowanego przez prof. Molendę to rozwiązanie określane jako CCL (Carbon Conductive Layer). Jest to nanotechnologiczna metoda precyzyjnego pokrywania zawartych w magazynach energii materiałów aktywnych (katodowych i/lub anodowych) cienką powłoką węglową o grubości zaledwie kilku nanometrów.

Naukowcy z Krakowa są w stanie ustalić optymalną grubość takiej powłoki na etapie produkcji materiału do baterii, dzięki czemu można zaprojektować przeznaczenie i sposób działania akumulatora, ustalając w nim takie parametry jak czas rozładowania czy limity obciążeń. Powłoka jest na tyle skuteczna, że w akumulatorach nie trzeba stosować żadnego dodatku materiału węglowego, a to oznacza, że można w nich znacznie zagęszczać energię. Nie to jednak jest głównym atutem tej technologii. Jest nią bardzo wysoki poziom bezpieczeństwa akumulatorów, w których w zasadzie wyeliminowano ryzyko samozapłonu.

Prof. Marcin Molenda zapewnia, że 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.

REKLAMA

– 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 – mówi prof. Molenda.

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 – dodaje krakowski naukowiec.

Podobnie jak w przypadku innych technologii opracowanych na UJ nanokompozyt 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.

Co z komercjalizacją?

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.

Krakowska uczelnia podkreśla, że aby tak się stało, potrzebna jest współpraca z inwestorem lub producentem magazynów energii, który gotów będzie zbudować instalację pilotażową i ustandaryzować produkcję 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.

Jak podkreśla dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektor Centrum Transferu Technologii CITTRU, rozwiązania opracowane przez zespół prof. Molendy mają duży potencjał wdrożeniowy, przy czym do ich wprowadzenia na rynek potrzebna jest firma posiadająca odpowiednie doświadczenie i skalę działalności.

– 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.

redakcja@gramwzielone.pl

© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.