Nowoczesne baterie wysokiej mocy, do zasilania np. dronów i samochodów, powstają na Politechnice Gdańskiej. Mają być wytrzymałe i stabilne podczas ładowania oraz rozładowywania, a jednocześnie bardziej przyjazne dla środowiska, dzięki ograniczonemu użyciu surowców krytycznych.
Standardowe baterie wysokiej mocy składają się z anody opartej o grafit oraz katody na bzie tlenków litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych. Nowe akumulatory mają stanowić alternatywę dla grafitu.
– W naszych bateriach litowo-jonowych nowej generacji wykorzystamy tlenowęgliki krzemu, które 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 prof. Wilamowska-Zawłocka.
KOMERCYJNE BATERIE Z KRZEMEM TO NADAL RZADKOŚĆ
Badaczka podkreśla, że pierwiastki tworzące stopy z litem są główną drogą do zwiększenia pojemności anod w bateriach nowej generacji. Oferują znacznie wyższą pojemność elektryczną niż anody grafitowe.
Prof. Monika Wilamowska-Zawłocka (Fot. Politechnika Gdańska/Krzysztof Krzempek)
– Jednak ich poważną wadę stanowi znaczna zmiana objętości podczas cykli ładowania i rozładowania, co prowadzi do degradacji i utraty wydajności w czasie użytkowania – wyjaśnia 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 – dodaje.
RECYKLING BATERII
Naukowcy zajmują się także odzyskiem surowców krytycznych, takich jak kobalt, nikiel czy naturalny grafit, ze zużytych ogniw litowo-jonowych, by móc ponownie zastosować je w nowych akumulatorach.
– 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 – dodaje. Według niej oznacza to, że recykling i ponowne użycie baterii jest niezbędne, by zrównoważyć zapotrzebowanie na surowce krytyczne, jak kobalt, nikiel, lit czy grafit.
Na zdj. od lewej: Kacper Chodziński, dr inż. Balanand Santhosh i dr inż. Gifty Sara Rolly (Fot. Politechnika Gdańska/Krzysztof Krzempek)
Badaniami nad bateriami nowej generacji zajmuje się zespół z Wydziału Chemicznego pod kierunek prof. Moniki Wilamowskiej-Zawłockiej, która została laureatką Szwajcarsko-Polskiego Programu Współpracy i otrzyma ponad 4,3 mln zł dofinansowania na badania nad materiałami do baterii, które nie zawierają surowców krytycznych. Projekt będzie realizowany we współpracy ze szwajcarskim ośrodkiem badawczym EMPA i firmą Siloxene AG.
ua
