Akumulator o niesamowitych możliwościach? Polacy opracowali nowy elektrolit

Tomasz Sewastianowicz: Samochód elektryczny wyprze spalinowy tak, jak kiedyś auta zastąpiły konie – twierdzą analitycy. Daje pan temu wiarę? Czy są jakieś ograniczenia, które blokują rozwój lub zastosowanie baterii?

Leszek Niedzicki z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej: Obecnie nie ma może bezpośredniego zagrożenia dla produkcji baterii, ale wymagane są pewne modyfikacje kierunków branży, aby zapewnić możliwość wzrostu produkcji. Wynika to z tego, że niektórych składników może nie wystarczyć, albo są drogie i znacząco podrożeją, jeśli jeszcze kilkukrotnie zwiększy się światowa produkcja. Jeśli chcemy przestawić motoryzację w całości na samochody elektryczne, to trzeba będzie wielokrotnie zwiększyć produkcję baterii litowo-jonowych. Ważnymi pierwiastkami są kobalt, którego podaż jest ograniczona (większość jest wydobywana w DR Kongo) i dlatego od lat zmniejsza się jego użycie procentowe w bateriach. Jeszcze 15 lat temu udział kobaltu w katodzie stanowiącej ok. 1/4 masy baterii wynosił 60 proc., obecnie to ok. 12 proc. Jednak baterii produkuje się wielokrotnie więcej niż jeszcze parę lat temu, więc zapotrzebowanie na kobalt w sumie i tak wzrosło.

Ale nie tylko kobalt jest przeszkodą?

Tak. Drugim problemem jest dostęp do dobrej klasy i dobrej czystości grafitu wydobywanego jedynie w paru kopalniach na świecie oraz do niklu, który również jest wydobywany tylko w kilku krajach na dużą skalę, a jego ceny szybko rosną. Dlatego większość producentów przestawiło się albo na jeszcze mniejsze zawartości kobaltu (ale to niesie za sobą użycie ogromnych ilości niklu), albo przestawia się na użycie tylko manganu, czyli łatwiej dostępnego pierwiastka i dużo tańszego. Albo żelaza z fosforem, które są jeszcze powszechniejsze i najtańsze. Materiały jednak powinny być mimo wszystko odzyskiwane, zwłaszcza, jeśli w grę wchodzą nikiel i kobalt. Stąd Unia Europejska stara się zwiększyć bardzo niski obecnie poziom odzysku surowców w ramach recyklingu.

A wodór i ogniwa paliwowe mogą być alternatywą dla baterii w autach?

Mogą, ale tu na drodze stoi wymóg stosowania platyny, która jest droga i obarczona małym wydobyciem. Do tego cena w przypadku pojawienia się dużego zapotrzebowania tylko wzrośnie. Dziesięciolecia prac nad zastąpieniem tego surowca nie przynoszą skutków. Inne komponenty też mają wysokie ceny. Przykładowo główna membrana, bez której ogniwa nie mogą działać, nie tylko jest bardzo droga, ale i od lat nie widać dużego postępu w zakresie zmniejszenia kosztów produkcji. Sam wodór jest też głównie (ponad 96 proc. produkcji światowej) pozyskiwany z gazu ziemnego, który zarówno jest paliwem kopalnym czyli nieodnawialnym, jak i z powodów geopolitycznych nie zawsze wygodnym surowcem.

Jednak błędne koło?

Dopóki wodór nie będzie masowo produkowany ze źródeł odnawialnych, np. z wody, będzie to potencjalny problem dla rozwoju branży. Nie będzie też można mówić o wodorze, że jest naprawdę zielonym paliwem. Duża ilość energii elektrycznej do produkcji wodoru z wody może być dostarczana przez nadwyżki z farm wiatrowych lub słonecznych. Istnieje również technologia do produkcji wodoru przez wysoką temperaturę uzyskiwaną z reaktorów atomowych, które mają powstawać w Polsce. Możliwości uzyskania tańszego, zielonego wodoru istnieją, a jego duża podaż przyda się nie tylko w motoryzacji. Także do zastąpienia innych paliw w zimie (gdy jest mniejsza produkcja energii z farm słonecznych) a także do produkcji stali, zamiast koksu. Jeśli chodzi o ogniwa paliwowe, to trzeba trzymać kciuki za sukcesy naukowców, by doszło do przełomu i można było produkować je taniej i na większą skalę niż obecnie.

Kiedy i jakim sposobem ładowanie akumulatorów w autach elektrycznych stanie się szybkie jak tankowanie paliwa?

Ładowanie auta EV już dziś może trwać porównywalnie do napełniania baku benzyną (5-10 minut) pod warunkiem ładowania do ok. 80 proc. pojemności. To wynika z konstrukcji baterii i tego, że im szybciej ładujemy, tym mniejsza pojemność maksymalna jest możliwa (względem "maksymalnej" – 100 proc.). Żeby uzupełnić baterię do końca trzeba zwolnić tempo ładowania. Na przykład większość współczesnych smartfonów gwarantuje naładowanie w 20-30 minut ale do 70-80 proc. Żeby naładować je do pełna trzeba poczekać zwykle np. dodatkową godzinę, albo dłużej. Identycznie jest z samochodami. A główne ograniczenia są obecnie dwa.

Czyli jakie?

Po pierwsze dbałość o trwałość baterii. To znaczy im szybciej ładujemy i im szybciej i do mniejszego poziomu naładowania ją rozładujemy, tym potencjalnie bardziej skracamy jej żywotność. I tutaj mamy dwie możliwości. Pierwsza dotyczy baterii zawierających katodę z manganu - możemy ładować je dużo szybciej, ale potencjalnie bardziej narażamy trwałość baterii. Oczywiście ładując wolniej ogniwo posłuży nam o wiele dłużej. Druga to baterie zawierające żelazo i fosfor w katodzie - wprawdzie mamy niskie możliwości szybkiego ładowania, ale za to bateria jest dużo trwalsza.

Drugie ograniczenie?

To możliwość szybkiego ładowania. Współczesne samochody mają ok. 60 kWh pojemności baterii, to znaczy, że przy mocy 60 kW musimy ładować je przynajmniej godzinę. Jeśli chcemy naładować je w 5 minut, musimy użyć już 720 kW. A to jest moc większa niż dla całego bloku mieszkalnego. Jeśli na danej stacji ma się ładować więcej samochodów na raz, stacja musi mieć podłączenie energetyczne jak dla całego osiedla. To oznacza drogie podłączenie przez firmę energetyczną wraz z własną podstacją itd. Oczywiście jest możliwość ładowania wolniejszego - ograniczenie mocy i wtedy samochody ładują się pół godziny albo dłużej. Rozwiązaniem może być też stosowanie magazynu energii by bardziej rozciągnąć w czasie pobór mocy i zmniejszyć zapotrzebowanie na maksymalną moc, ale to podraża instalację.

Czy da się w ogóle wyeliminować ryzyko pożaru akumulatora?

Nie można być nigdy pewnym w stu procentach. Można jednak zminimalizować to ryzyko do poziomu takiego jak w innych technologiach akumulatorów. Znane z pożarów baterie z katodami zawierającymi kobalt ulegają gwałtownemu rozgrzaniu i rozkładowi powyżej 130°C. Trudno je także ugasić w razie zapłonu. Ogniwa zawierające katodę z manganu lub żelaza i fosforu niemal nigdy nie przejawiają takich efektów. Jednak to właśnie katody z kobaltem pozwalają na uzyskanie najwyższych pojemności baterii i największych zasięgów samochodu – dlatego są wciąż używane. Innym źródłem ryzyka jest elektrolit ciekły. W razie rozgrzania do wysokich temperatur elektrolit ciekły mógłby spełniać rolę paliwa dla ognia. Zastąpienie go w pełni stałym elektrolitem zmniejsza ryzyko zapłonu właściwie do zera. Zanim jednak uzyskamy i spopularyzujemy technologię stałych elektrolitów, jest również możliwość stosowania specjalnych separatorów. Odcinają one kontakt w akumulatorze z ciekłym elektrolitem w razie przekroczenia pewnej temperatury. Oczywiście takie rozwiązanie jest droższe od standardowego separatora. Rozwiązań tego typu jest więcej, ale zwykle wiążą się z dużym wzrostem kosztów produkcji.

Co z poprawą wydajności baterii?

Polepszanie tego parametru będzie coraz trudniejsze, gdyż już wchodzimy w obszar powyżej 90 proc. wydajności energii włożonej do odzyskanej z baterii. Dla porównania, akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe i niklowo-wodorkowe (NiMH) mają dużo niższe wydajności, np. kwasowo-ołowiowe na poziomie ok. 60 proc.

To może zwiększenie pojemności?

O tak, tu jest większe pole manewru. Zaczynając od kontynuacji obecnego już trendu w wymianie materiałów anodowych z grafitu na krzem poprzez zwiększanie udziału krzemu w graficie. Wystarczy zastosowanie nawet tylko 10 proc. krzemu, żeby pojemność materiału anodowego wzrosła niemal dwukrotnie. Taką zawartość ma coraz większa ilość baterii na rynku i to one odpowiadają za wzrost pojemności w ostatnich kilku latach. Zastosowanie czystego krzemu, chociaż jeszcze odległe na skalę komercyjną, może zwiększyć pojemność anod nawet 7-krotnie!

I już? Sprawa załatwiona?

To tylko próbka możliwości. Innym kierunkiem badań jest zmiana baterii litowo-jonowych na litowo-siarkowe lub sodowo-jonowe. W przypadku pierwszych można liczyć na wielokrotnie większe pojemności przy tych samych masach baterii, ale również można liczyć na spadek kosztów produkcji. Drugie połączenie to głównie szansa na obniżenie kosztów wytwarzania. Oba te typy baterii, jeśli wejdą do produkcji masowej, powinny zachowywać się podobnie do litowo-jonowych. Pomijając inne napięcia, zakres zastosowań zapewne będzie podobny. W przypadku sodowo-jonowych pojemności mogą być niższe, stąd ich zastosowanie przynajmniej na razie upatruje się raczej w magazynach energii niż samochodach elektrycznych. Oba te typy ciągle jednak są na etapie badań i prototypów. Trudno przewidzieć, kiedy będą dojrzałe na tyle, żeby użyć ich masowo.

Jaka przyszłość czeka baterie, jeśli chodzi o obniżenie ich kosztów i wpływu na środowisko?

Koszty produkcji i ich szkodliwość wiążą się przede wszystkim z dostępnością surowców. Stosowanie kobaltu jest bardziej toksyczne i droższe, ponieważ jest go mniej. Z kolei używanie żelaza i fosforu lub manganu jest mniej szkodliwe dla środowiska i tańsze. Tych pierwiastków mamy dużo więcej i są łatwiej dostępne, ale też obecnie mniej opłacalne w recyklingu. Skoro mowa o recyklingu, to zaczynają się pojawiać efektywne technologie i jest szansa, że UE spełni wyznaczone sobie cele wysokiego odzysku już w ciągu kilku najbliższych lat. Dzięki zawróceniu surowców ze zbiórki do produkcji komponentów będziemy mieli potencjalnie tańsze surowce, a więc i baterie.

Kolejną metodą zmniejszenia kosztów produkcji jest używanie innych komponentów także w anodach (krzem zamiast grafitu) i w elektrolicie - np. polski elektrolit z Politechniki Warszawskiej zamiast dotychczasowego. Takie podejście może obniżyć koszty stałe (tańsze linie technologiczne) czy zmniejszyć potrzebę stosowania dodatków stabilizujących do obecnej nietrwałej technologii, które podrażają produkcję.

Polski elektrolit do akumulatorów samochodów elektrycznych?

Tak. Na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej poszukujemy nowych materiałów i technologii do produkcji baterii. Mamy w tym zakresie duże sukcesy. W Zespole Konwersji i Akumulacji Energii pracujemy nad różnymi komponentami ogniw. Naszą specjalnością jest składnik baterii, którym nasącza się pozostałe, czyli elektrolit. Z racji tego, że jako jedyny ma kontakt ze wszystkimi innymi komponentami, ma bardzo duże wymagania co do odporności - chemicznej, temperaturowej i napięciowej. Dlatego mało materiałów spełnia przynajmniej cześć wymagań stawianych elektrolitom przez rynek bateryjny. Oprócz odporności muszą też dobrze przewodzić prąd i na stykach z innymi komponentami nie powodować żadnych zaburzeń lub wpływać negatywnie na działanie pozostałych składowych baterii. Stąd też od komercjalizacji baterii litowo-jonowych w 1991 roku, wszystkie baterie na świecie do niedawna bazowały na jednym związku - znanym z dobrych parametrów elektrycznych i odporności napięciowej, ale fatalnych temperaturowych i chemicznych. To dlatego wszystkie baterie albo muszą być w specjalnych komorach niepozwalających na przegrzanie (powyżej ok. 60°C), albo urządzenia z bateriami mają na sobie ostrzeżenia, że nie można ich wystawiać na światło słoneczne, albo nie wolno ich podgrzewać np. stawiać przy źródłach ciepła. Również z powodu ograniczeń tego związku produkcja baterii podlega olbrzymim wymaganiom i surowemu reżimowi czystości (zwłaszcza brak wilgoci w powietrzu hali produkcyjnych i w używanych materiałach) pracy fabryk baterii, żeby nie dopuścić do rozkładu tego związku.

W czym opracowany przez was nowy elektrolit jest przełomowy? Co zyskują kierowcy?

Jako pierwsi w Europie opracowaliśmy nowy elektrolit z użyciem mniej toksycznego materiału, który sprawia, że ogniwo działa dłużej i wolniej się starzeje. To drugi w historii baterii taki związek - w stosunku do dotychczas stosowanego posiada zbliżone parametry elektryczne, ale dużo lepsze co do odporności temperaturowej i chemicznej. Związek ten zwany solą LiTDI jest produkowany na licencji Politechniki Warszawskiej przez francuski koncern chemiczny Arkema. Znalazł już zastosowanie w smartfonach oraz w najnowszych samochodach elektrycznych. Użycie tego związku podwaja a nawet potraja żywotność baterii, co zwłaszcza ze względu na jej cenę jest istotne w autach. Umożliwia także działanie w dużo wyższych temperaturach bez szkód dla baterii - bez problemu może ona funkcjonować do 90°C. Znikają dzięki temu ograniczenia dla urządzeń i zmniejsza się wymóg stosowania chłodzenia w bateriach np. samochodów elektrycznych. Zmniejsza to zużycie energii na utrzymywanie temperatury i tym samym zwiększa zasięg samochodu, zwłaszcza w gorące dni. Pozwala też zmniejszyć wymagania dla fabryk baterii, a to oznacza niższe koszty produkcji.

Która marka korzysta z tego rozwiązania?

Mogę tylko powiedzieć, że jeden europejski producent samochodów osobowych w co najmniej jednym modelu już stosuje baterie z tym związkiem.

Tajemnica?

Tak, ale mogę zdradzić, że oprócz elektrolitów pracujemy także nad pozostałymi komponentami baterii i nad nowymi generacjami baterii. Zwłaszcza nad bateriami ze stałym elektrolitem do samochodów elektrycznych. Takie ogniwa nie mogą się zapalić, co zmniejszy ryzyko obecnie występujące w razie poważnego wypadku e-auta. Z naszego regionu Unii Europejskiej jesteśmy jedynym zespołem w projekcie Astrabat.

Pracujemy też nad nową generacją elektrolitów, które byłyby pozbawione fluoru - bardzo toksycznego w razie pożaru, a obecnego jak na razie w każdej baterii. Nasz wynalazek działa. Nikt czegoś takiego jeszcze nie zrobił. Jesteśmy pierwsi, którym się to udało w skali laboratoryjnej. Dotąd uważano, że elektrolit bez fluoru nie jest możliwy.

Co dalej? Kiedy wdrożenie do produkcji?

Jako jedyny zespół z Europy Wschodniej zostaliśmy zaproszeni do konsorcjum europejskiego Destiny. Doktorantka pod moją opieką pracuje nad przeniesieniem naszego osiągnięcia na większą skalę i stworzenia działających prototypów fabrycznych baterii, które nie posiadałyby w swoim składzie fluoru, jak i innych toksycznych albo drogich pierwiastków. Celem jest to, by baterie do samochodów czy innych urządzeń były tańsze, przy tym bezpieczniejsze dla użytkowników i środowiska, a ich produkcja była ekologiczna na każdym etapie.