Wytrzymałe, stabilne podczas ładowania i rozładowywania, wytworzone z ograniczonym użyciem surowców krytycznych, a przez to bardziej przyjazne dla środowiska – to mają być główne cechy baterii wysokiej mocy do zasilania np. dronów i samochodów, nad którymi pracuje zespół badawczy z Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej pod kierunkiem prof. Moniki Wilamowskiej-Zawłockiej. Naukowcy zajmują się także odzyskiem surowców krytycznych, takich jak kobalt, nikiel czy naturalny grafit, ze zużytych ogniw litowo-jonowych.
Dr hab. inż. Monika Wilamowska-Zawłocka, prof. PG z Katedry Konwersji i Magazynowania Energii na Wydziale Chemicznym PG została właśnie laureatką Szwajcarsko-Polskiego Programu Współpracy (Badania Naukowe i Innowacje, Badania Stosowane) i otrzyma ponad 4,3 mln zł dofinansowania na badania nad materiałami do akumulatorów (baterii), które nie zawierają surowców krytycznych. Projekt będzie realizowany we współpracy ze szwajcarskim ośrodkiem badawczym Empa – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology oraz firmą Siloxene AG.
Alternatywa dla grafitu. Wysoka pojemność, duża stabilność
Standardowa bateria wysokiej mocy stosowana w dronach czy samochodach składa się z anody opartej o grafit oraz katody na bazie tlenków litowo niklowo-manganowo-kobaltowych.
– W naszych bateriach litowo-jonowych nowej generacji wykorzystamy tlenowęgliki krzemu (ang. silicon oxycarbides SiOCs) jako matryce do nanocząstek tworzących stopy z litem, jak elementarny krzem czy cyna. SiOCs są materiałami ceramicznymi pochodzenia polimerowego (ang. polymer-derived ceramics, PDCs), co pozwala na zastosowanie metod syntezy gwarantujących dużą jednorodność nanokompozytów łączących metal i ceramikę – mówi prof. Wilamowska-Zawłocka. – Tlenowęgliki krzemu zapewniają nie tylko dobrą wytrzymałość mechaniczną i chemiczną, ale są również materiałami aktywnymi elektrochemicznie wobec jonów litu, co pozwoli na uzyskanie materiałów anodowych o znacznie wyższej pojemności elektrycznej niż stosowany komercyjnie „krytyczny” naturalny grafit – tłumaczy.
Jak podkreśla badaczka, pierwiastki tworzące stopy z litem oferują znacznie wyższą pojemność elektryczną niż tradycyjne anody grafitowe, dlatego stanowią główną drogę do zwiększenia pojemności anod w akumulatorach litowo-jonowych nowej generacji.
– Jednak ich poważną wadę stanowi znaczna zmiana objętości podczas cykli ładowania i rozładowania, co prowadzi do degradacji i utraty wydajności w czasie użytkowania – tłumaczy prof. Wilamowska-Zawłocka. – To sprawia, że komercyjne baterie zawierające krzem są nadal rzadkością, lecz wiele firm pracuje nad opracowaniem tego typu anod. Naszym zadaniem będzie umieszczenie nanocząstek krzemu i cyny w odpowiednio zaprojektowanej matrycy SiOC, co zminimalizuje te problemy.
Odzysk surowców krytycznych z ogniw litowo-jonowych
Oprócz badań nad nowymi materiałami do baterii, zespół prof. Wilamowskiej-Zawłockiej (w ramach grantu z programu SONATA BIS NCN) zajmuje się opracowywaniem procesów odzyskiwania surowców krytycznych ze zużytych ogniw litowo-jonowych pod kątem ponownego ich zastosowania w nowych akumulatorach.
Naukowcy pracują nad opłacalnymi ekonomicznie i przyjaznymi dla środowiska strategiami recyklingu służącymi do odzysku różnych komponentów baterii, w tym aktywnego materiału anodowego (grafit), materiału katodowego (kobalt, nikiel, mangan), kolektorów prądu (miedź, glin) oraz litu.
– Firmy na świecie odzyskują już surowce z baterii litowo-jonowych, ale dzieje się to ciągle na zbyt małą skalę, biorąc pod uwagę wzrost zużytych baterii tego typu. Recykling ten nie jest tak rozwinięty jak innych typów baterii, a recykling bezpośredni, czyli taki, który odzyskuje aktywne materiały elektrodowe w ich pierwotnej strukturze, nadal pozostaje w skali laboratoryjnej – podkreśla badaczka. – Tymczasem według analiz i prognoz Międzynarodowej Agencji Energetycznej do roku 2030, co roku na całym świecie będzie generowanych 100-120 GWh zużytych baterii z pojazdów elektrycznych. Co więcej, prognozuje się, że liczba wycofanych z eksploatacji modułów baterii z pojazdów elektrycznych wzrośnie do 2030 r. o 4 miliony ton.
Recykling i ponowne użycie baterii są zatem niezbędnymi sposobami zrównoważenia zapotrzebowania na surowce krytyczne: kobalt, nikiel, lit i grafit naturalny.
– Przy czym kobalt to także duży problem geopolityczny. Europa musi posiadać kopalnie miejskie (urban mining) zajmujące się recyklingiem baterii. Na Zachodzie Europy jest to bardzo gorący temat – podkreśla prof. Wilamowska-Zawłocka.
Sód zamiast litu i zgłoszenia patentowe
Prof. Wilamowska-Zawłocka we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt oraz Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (w ramach grantu z programu BEETHOVEN NCN) zrealizowała wcześniej także projekt dotyczący nowatorskich i wydajnych materiałów elektrodowych do magazynowania jonów sodu w bateriach sodowo-jonowych, który zaowocował dwoma zgłoszeniami patentowymi.
– Sód jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi, drugim z kolei litowcem oraz drugim, zaraz po licie, pierwiastkiem o najbardziej ujemnym potencjale elektrochemicznym. Oznacza to, że jest on najbardziej zbliżony do litu pod kątem właściwości elektrochemicznych, czyli jest dobrym kandydatem na wysokoenergetyczne baterie. I co najważniejsze, jest alternatywą dużo bardziej zrównoważoną środowiskowo – podkreśla prof. Wilamowska-Zawłocka. – Sam sód nie jest materiałem krytycznym, ale również anody i katody mogą być uzyskane bez pierwiastków krytycznych. Anody baterii sodowo-jonowych są oparte o tzw. twarde węgle, które można uzyskać np. z biomasy, zaś katody mogą być na bazie żelaza czy manganu i nie zawierać „krytycznego” kobaltu. Materiały te są tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska. Ponadto, uzyskiwanie warstw elektrodowych może być oparte o wodne roztwory materiałów wiążących, co niebywale ułatwia późniejszy recykling – wylicza.
Sód ma jednak ograniczenia – jest kilkukrotnie cięższy niż lit, więc baterie mają mniejszą gęstość energii i mocy.
– Takie baterie są też mniej trwałe, szybciej tracą pojemność elektryczną w trakcie wielokrotnego ładowania i rozładowania, głównie ze względu na większy rozmiar jonów sodu w porównaniu do jonów litu. Niemniej, ich rozwój jest bardzo dynamiczny i pojawiają się już na rynku pierwsze samochody z bateriami sodowo-jonowymi – dodaje badaczka.
Skład zespołu badawczego: prof. Monika Wilamowska-Zawłocka, dr inż. Gifty Sara Rolly, dr inż. Balanand Santhosh, studenci: Jakub Olszewski, Emilia Bielska i Kacper Chodziński.
Jak ładować baterie litowo-jonowe, aby dłużej służyły?
Dr hab. inż. Monika Wilamowska-Zawłocka, prof. PG: – Aby baterie osiągały swoją największą żywotność, najlepiej ładować je niskimi prądami, czyli dać im czas na ładowanie. Nasze telefony zazwyczaj mają jeden rodzaj ładowarki, ale np. samochody można ładować już w różnym czasie. Szybkie ładowanie oznacza ładowanie dużym prądem, co jest zawsze niekorzystne dla baterii ze względu na możliwość większej liczby reakcji pobocznych, czy większego nagrzewania się ogniw w czasie ładowania. Baterii nie należy rozładowywać i ładować do końca (tu elektronika powinna zadziałać i automatycznie odcinać ładowanie), nie można ich też przegrzewać, ponieważ wysokie temperatury źle działają na baterie. Podobnie uraz mechaniczny może osłabiać baterie (może pogorszyć kontakt elektryczny w obrębie elektrod, prąd nie ładuje wówczas równomiernie elektrody, co może skutkować np. nadmiernym nagrzewaniem się baterii w trakcie ładownia), jednak prawidłowo wykonana bateria nie powinna być podatna na takie urazy. Nie należy trzymać starych baterii litowo-jonowych w domu, jeśli bateria jest rozładowana nic nam nie grozi, natomiast jeśli naładowana – to znaczy, że lit jest w anodzie, co czyni ją reaktywną, wtedy w razie zwarcia na skutek dużego urazu mechanicznego, staje się niebezpieczna. Jeśli stara bateria jest spuchnięta to też oznacza, że zaszło w niej wiele reakcji pobocznych i lepiej taką baterię oddać do utylizacji. Generalnie jednak baterie litowo-jonowe w naszych urządzeniach są bezpieczne.