Skip to main content

Grafit został wprowadzony do baterii, bo jest tani i dość pojemnymoże przechowywać wystarczającą ilość jonów litu, aby zapewnić samochodom zasięg około 500 kilometrów. Słabością grafitu jest jednak tempo ładowania baterii. Standardowe ładowarki o napięciu 240 woltów mogą wymagać ponad 10 godzin, aby w pełni naładować pojazd elektryczny o typowym zasięgu 500 kilometrów. Są rzecz jasna mocniejsze źródła zasilania, jak Tesla Supercharger o napięciu 480 woltów, które pojazd elektryczny do 80 proc. pojemności mogą naładować w ciągu 45 minut. Ich słabością jest jednak to, że mogą powodować gromadzenie się jonów litu w graficie w metalowe igły zwane dendrytami, a w konsekwencji spowodować zwarcie akumulatora i spowodować jego zapalenie. Poza tym ładowanie wysokim napięciem powoduje nieodwracalne zmiany strukturalne grafitu, które skracają żywotność baterii.

To sprawia, że od dłuższego czasu naukowcy na całym świecie szukają zamienników dla grafitu. Jednym z kandydatów jest krzem. Każdy atom krzemu jest w stanie związać cztery jony litu, w porównaniu z tylko jednym na każde sześć atomów węgla w graficie. Pojemność więc rośnie, niemniej to materiał mało elastyczny i kruszy się wraz z „pęcznieniem”. Dlatego na Uniwersytecie Stanforda opracowano metodę nanoskalowych modyfikacji struktury krzemu i wykuwanie go w szereg nanodrutów. To pozwala anodzie pęcznieć i kurczyć się bez pękania, wydłużając w ten sposób żywotność baterii. Inny pomysł ma startup Battery Streak wspierany wiedzą naukowców z UCLA. Kalifornijczycy postawili na przypominający gąbkę tlenek niobu. Dużą powierzchnia zapewnia przechowywanie dużej ilości litu, a szerokie otwory ułatwiają przepływ jonów.

Polska zielona chemia

Słabością tego pomysłu jest jednak fakt, że tlenek niobu jest minerałem równie rzadkim jak lit (34 miejsce na liście ziemskich zasobów), a 90 proc. jego wydobycia koncentruje się w jednym kraju, Brazylii. Co innego skrobia którą rozpracowują naukowcy z Zespołu Technologii Materiałów i Nanomateriałów Uniwersytetu Jagielońskiego. Anody, za które wzięła się ekipa profesor Marcina Molendy (zdj. poniżej), bazują na tzw. żelu węglowym inaczej carbogelu. To właśnie on jest pozyskiwany ze skrobii ekstrahowanej np. z ryżu, ziemniaków lub kukurydzy. Poddawana jest m.in. żelatynizacji z użyciem wody, a następnie kontrolowanej pirolizie ze spalaniem wydzielających się gazów. Tak powstają anody CAG, które obywają się bez grafitu i bez uszczerbku na wydajności baterii – testy potwierdziły  ich żywotność  na poziomie ponad 1500 cykli (naładowanie / rozładowanie).

„Opracowany carbogel jest odpowiedni do produkcji zielonych ogniw litowo-jonowych o obniżonym śladzie węglowym. 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”, tłumaczy prof. Marcin Molenda, który wraz zespołem opracował też autorską technologię produkcji drugiej z elektrod czyli katody.

 

Metoda zwana LKMNO pozwala wyprodukować ją bez udziału kobaltu, z 5-krotnie mniejszą ilością niklu i 2-krotnie mniejszą ilością litu. I podobnie jak w przypadku anody również jest wytwarzana w procesie zielonej chemii, czyli z ograniczeniem użycia i powstawanie substancji obciążających środowisko. Produkcja jest bezodpadowa i pochłaniająca ograniczoną ilość energii – bazuje na wodnej technice, z etapem suszenia kondensacyjnego i kalcynacji w umiarkowanych temperaturach. 

„Koszt wytworzenia katody LKMNO jest dwukrotnie mniejszy w porównaniu z kosztami produkcji najnowocześniejszych katod klasy NMC, w których jest nikiel, mangan i kobalt. 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 procentach”, wyjaśnia prof. Marcin Molenda.

Jego zespół nie poprzestaje na prototypach. Już w kwietniu ubiegłego roku Wydział Chemii UJ podpisał z norweskim NorCelLi umowę na opracowanie baterii neutralnych klimatycznie. Wspólnie mają opracować instalację produkująca baterie, które bazują na technologiach bezkobaltowych i surowcach odnawialnych, a jednocześnie nie wykorzystują paliw kopalnych oraz minerałów pochodzących z regionów ogarniętych konfliktami. Istotnym celem jest też wydłużenie czasu życia produktu i obniżenie śladu węglowego oraz zaprojektowanie inteligentnego recyklingu (Recycle to Product).

 

Jeszcze nie dodano komentarza!

Twój adres nie będzie widoczny publicznie.

Najpopularniejsze teksty

Biblioteki na kółkach

Koniec poczty lotniczej

Ludzie uczą mówić rośliny

Bezpieczne przejście dla pum

Szybowce przyszłością lotnictwa

Elektroliza dobra na wszystko