Znika wielki problem aut elektrycznych. Polacy dokonali niemożliwego

Samochód elektryczny i jego akumulator czeka rewolucja. Jednocześnie przeciwnicy aut EV nie będą mogli już narzekać, że produkcja baterii przynosi więcej złego niż dobrego. Zdaniem naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego stosując rozwiązania "zielonej chemii" można na wielką skalę produkować bardziej ekologiczne baterie oraz magazyny energii i uniezależnić się od dostawców rzadkich, kosztownych i szkodliwych dla środowiska surowców aktualnie masowo wykorzystywanych do produkcji akumulatorów – metali, ale też grafitu.

– Dziś 65 proc. kosztów baterii litowo-jonowych stanowią drogie i trudnodostępne surowce takie jak kobalt i nikiel. Opracowane przez nas rozwiązania pozwalają m.in. zrezygnować z pierwszego surowca i ograniczyć stosowanie drugiego – powiedział dziennik.pl prof. Marcin Molenda, kierujący na wydziale chemii UJ Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów. – W efekcie produkcja ogniw będzie odpowiednio tańsza i bardziej ekologiczna. Materiały wykorzystywane w naszej technologii (np. skrobia ziemniaczana) mamy właściwie na wyciągnięcie ręki. Dlatego producenci nie będą musieli tracić energii na zabezpieczenie łańcucha dostaw, co obecnie pochłania ogromne nakłady finansowe i czasowe. Także ładowanie w 15 minut do 80 proc. jest jak najbardziej możliwe– dodał. Na czym polegają rozwiązania opracowane w laboratoriach UJ?

Nowa generacja akumulatorów z Krakowa. Anody ze skrobi ziemniaczanej zamiast grafitu to wyższa moc

Anody ze skrobi (CAG) to pierwsza z technologii opracowanych przez zespół krakowskich naukowców. Pozwala wytwarzać materiały anodowe w oparciu o żel węglowy (carbogel). Carbogel jest pozyskiwany ze skrobi, czyli całkowicie odnawialnego źródła. Skrobia ekstrahowana np. z ryżu, ziemniaków czy kukurydzy poddawana jest m.in. żelatynizacji z użyciem wody (procesy zielonej chemii), a następnie kontrolowanej pirolizie ze spalaniem wydzielających się gazów.

– Carbogel jest odpowiedni do produkcji zielonych ogniw litowo-jonowych o obniżonym śladzie węglowym – powiedział Molenda. – 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– zauważył.

Jego zdaniem CAG pozwala całkowicie zastąpić w produkcji akumulatorów grafit naturalny oraz grafit syntetyczny (pozyskiwany z paliw kopalnych) bez uszczerbku na wydajności baterii. Materiał anody CAG można zintegrować z dowolną klasą najnowocześniejszych katod w ogniwach litowo-jonowych. Testy potwierdziły wysoką żywotność anod CAG na poziomie ponad 1500 cykli (naładowanie/rozładowanie).

Akumulatory z katodą bez kobaltu LKMNO. Takie rzeczy też są możliwe

Z kolei LKMNO jest technologią uczonych UJ, która pozwala wyprodukować wysokonapięciowe katody do akumulatorów litowo-jonowych bez kobaltu, z 5-krotnie mniejszą ilością niklu i 2-krotnie mniejszą ilością litu (w porównaniu do materiałów NMC – elektroda składa się z niklu, manganu i kobaltu). Tego rodzaju katoda również jest wytwarzana w procesie zielonej chemii.

– Produkcja oparta jest na wodnej technice z etapem suszenia kondensacyjnego i kalcynacji w umiarkowanych temperaturach. To oznacza stosunkowo niską energochłonność produkcji ogniwa. Co istotne, taką katodę produkuje się w ekologicznym modelu "one-pot" – nie powstają w nim żadne stałe czy płynne odpady, a gazy procesowe są przetwarzane do dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej – wyjaśnił Molenda.

Katodę LKMNO można łatwo zintegrować z różnymi rodzajami anod (w tym z opisanym wcześniej CAG) i elektrolitem wykorzystywanym we współczesnych ogniwach litowo-jonowych. LKMNO jest rozwiązaniem odpowiednim do produkcji dedykowanych ogniw o dużej mocy i dużej pojemności m.in. do samochodów elektrycznych.

Akumulatory z Krakowa to tańsze samochody elektryczne, czyli koszt katody dwa razy mniejszy

– Koszt wytworzenia katody LKMNO jest dwukrotnie mniejszy w porównaniu z kosztami produkcji najnowocześniejszych katod klasy NMC, w których jest nikiel, mangan i kobalt – wyjaśnił naukowiec UJ. – Dodatkową przewagą naszego rozwiązania jest to, iż użyty w akumulatorze lit, którego potrzeba dwukrotnie mniej niż w NMC, jest w pełni efektywny. 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 proc.– podkreślił.

Pożar samochodu elektrycznego? Akumulatory nowej generacji i powłoka węglowa

Molenda wskazuje na jeszcze inną autorską technologię – CCL (Carbon Conductive Layer), której zastosowanie daje szansę na stworzenie akumulatorów nowej generacji. CCL to nanotechnologiczna metoda precyzyjnego pokrywania zawartych w magazynach energii materiałów aktywnych (katodowych i/lub anodowych) cienką powłoką węglową o grubości zaledwie kilku nanometrów. Zespół naukowców z UJ wie, w jaki sposób ustalać grubość takiej powłoki na etapie produkcji materiału do baterii, dzięki czemu można zaprojektować przeznaczenie i sposób działania akumulatora poprzez ustalenie w nim takich parametrów, jak czas rozładowania czy limity obciążeń.

Powłoka jest na tyle skuteczna, że w akumulatorach nie trzeba już stosować żadnego dodatku materiału węglowego, a to oznacza, że można w nich znacznie zagęszczać energię. Jednak głównym atutem tego wynalazku jest bardzo wysoki poziom bezpieczeństwa akumulatorów, w których w zasadzie wyeliminowano ryzyko samozapłonu.

Akumulator z powłoką węglową eliminuje ryzyko samozapłonu

– Materiał węglowy dodawany do akumulatorów ma na celu zapewnić odpowiednie przewodnictwo elektryczne – zauważa szef zespołu krakowskich uczonych. – 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, ponieważ ziarna materiału aktywnego w akumulatorze są szczelnie pokryte, co skutecznie je od siebie oddziela. Taka bateria, nawet gdy dojdzie w niej do zwarcia, będzie rozładowywać się znacznie wolniej i nie ulegnie samozapłonowi. 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 – wyjaśnił prof. Molenda.

Podobnie jak inne technologie opracowane przez zespół z UJ, również i 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. Naukowcy podkreślają, ze testy prototypów zbudowanych z wykorzystaniem technologii CCL wykazały wysoką żywotność akumulatorów sięgającą aż 3000 cykli.

Przełomowe akumulatory i magazyny energii. Kiedy produkcja?

Wynalazki opracowane przez zespół prof. Molendy już objęto ochroną patentową. Obecnie Centrum Transferu Technologii UJ (CITTRU) pracuje nad tym, by te innowacyjne rozwiązania trafiły do produkcji seryjnej. Tu jednak potrzeba inwestora lub producenta magazynów energii, który zechce zbudować instalację pilotażową i ustandaryzować produkcję nowego typu ogniw w skali przemysłowej.

– Liczymy, że za 2-3 lata będziemy mogli pochwalić się serią testową kompletnego akumulatora z naszymi rozwiązaniami w środku – powiedział dziennik.pl prof. Marcin Molenda. Na potrzeby komercjalizacji technologii jej twórca założył przy UJ spółkę typu spin-off oraz podpisana została warunkowa umowa licencyjna.

– Opracowane technologie akumulatorowe mają ogromny potencjał wdrożeniowy. Ważne jest, by na rynek wprowadzał je podmiot o odpowiednio bogatym doświadczeniu i skali działania – powiedziała mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, Dyrektor Centrum Transferu Technologii CITTRU. – 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 – oceniła.