Nowa generacja baterii bez surowców krytycznych
Zespół badawczy z Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej pod kierunkiem prof. Moniki Wilamowskiej-Zawłockiej prowadzi prace nad bateriami wysokiej mocy do zastosowań m.in. w dronach i pojazdach elektrycznych. Kluczowym założeniem projektu jest wyeliminowanie surowców krytycznych, takich jak kobalt, nikiel i naturalny grafit, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wydajności i stabilności pracy ogniw.
Badania realizowane są w ramach Szwajcarsko-Polskiego Programu Współpracy i otrzymały ponad 4,3 mln zł dofinansowania. Partnerami projektu są szwajcarski ośrodek badawczy Empa oraz firma Siloxene AG.
Tlenowęgliki krzemu zamiast grafitu
Standardowe baterie litowo-jonowe zawierają anodę opartą na graficie oraz katodę z tlenków litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych. Naukowcy z Politechniki Gdańskiej proponują alternatywę – wykorzystanie tlenowęglików krzemu (SiOCs) jako matrycy dla nanocząstek krzemu i cyny.
– Tlenowęgliki krzemu zapewniają nie tylko dobrą wytrzymałość mechaniczną i chemiczną, ale są również materiałami aktywnymi elektrochemicznie wobec jonów litu – tłumaczy prof. Wilamowska-Zawłocka. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie anod o znacznie wyższej pojemności elektrycznej niż w przypadku naturalnego grafitu.
Zespół badawczy koncentruje się na minimalizacji problemów wynikających z dużych zmian objętości krzemu i cyny podczas cykli ładowania i rozładowania, co w tradycyjnych ogniwach prowadzi do degradacji struktury elektrody.
Efektywny recykling ogniw litowo-jonowych
Oprócz prac nad nowymi materiałami, zespół prowadzi badania nad odzyskiem surowców krytycznych z zużytych ogniw litowo-jonowych. Projekt ten realizowany jest w ramach grantu z programu SONATA BIS NCN. Celem jest opracowanie opłacalnych i przyjaznych dla środowiska technologii recyklingu komponentów takich jak grafit, kobalt, nikiel, mangan, miedź, glin oraz lit.
– Firmy odzyskują już surowce z baterii litowo-jonowych, ale skala tego procesu jest przez cały czas zbyt mała – zaznacza prof. Wilamowska-Zawłocka.
Międzynarodowa Agencja Energetyczna prognozuje, iż do 2030 roku na świecie będzie generowanych 100–120 GWh zużytych baterii rocznie. Masa wycofanych modułów baterii może wzrosnąć do 4 milionów ton rocznie.
Prof. Wilamowska-Zawłocka podkreśla konieczność rozwoju miejskiego górnictwa (urban mining) i recyklingu bezpośredniego – umożliwiającego odzysk aktywnych materiałów elektrodowych bez zmiany ich struktury.
Baterie sodowo-jonowe – tańsza i ekologiczna alternatywa
W ramach wcześniejszych badań finansowanych z programu BEETHOVEN NCN, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt i Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, zespół prof. Wilamowskiej-Zawłockiej opracował nowe materiały elektrodowe do baterii sodowo-jonowych. Efektem projektu były dwa zgłoszenia patentowe.
– Sód jest drugą po licie opcją pod względem adekwatności elektrochemicznych i czwartym najczęściej występującym pierwiastkiem na Ziemi – wyjaśnia badaczka. Anody do baterii sodowo-jonowych można wytwarzać z twardych węgli pochodzących z biomasy, a katody mogą być oparte na żelazie lub manganie – bez użycia kobaltu.
Choć baterie sodowo-jonowe mają niższą gęstość energii i szybciej tracą pojemność, są bardziej zrównoważone środowiskowo i tańsze w produkcji. Ich rozwój nabiera tempa, a na rynku pojawiają się już pierwsze pojazdy z tego typu bateriami.
Źródło: Politechnika Gdańska
