Polacy opracowali nowe ogniwo litowo-jonowe

Najważniejszą zaletą nowego ogniwa jest bezpieczeństwo w użytkowaniu. Dzięki przeprowadzonym badaniom znacznie zmniejszono ryzyko samozapłonu, który jest bolączką obecnych na rynku baterii. Nowy akumulator wykazuje również większą trwałość i pojemność od dotychczas stosowanych. Wynalazek ma duży potencjał komercjalizacyjny.

W nowym ogniwie ograniczono lotne, palne składniki, poprzez zastąpienie ciekłego, organicznego elektrolitu membraną polimerową. Nowa generacja akumulatorów będzie więc znacznie bezpieczniejsza w użytkowaniu od obecnie wykorzystywanych baterii litowych. Wynalazek ma ogromny potencjał komercjalizacyjny, ponieważ można go zastosować zarówno do zasilania niewielkich urządzeń mobilnych, jak i elektronarzędzi, a nawet samochodów elektrycznych czy większych maszyn. „Opracowane przez nas ogniwo bazuje na znanych i wykorzystywanych komercyjnie materiałach elektrodowych. Przeprowadziliśmy jednak istotne modyfikacje, które pozwoliły zminimalizować użycie lotnych składników, co podnosi bezpieczeństwo eksploatacji baterii. Poza tym udało nam się zwiększyć pojemność właściwą ogniwa przy jednoczesnym znacznym ograniczeniu stopnia jej utraty w kolejnych cyklach pracy akumulatora” – opisuje dr Bartosz Hamankiewicz, główny twórca ogniwa.

Podstawowymi materiałami elektrodowymi, użytymi do zbudowania nowej baterii są tlenki o strukturze spinelu: litowo-tytanowy użyty jako elektroda ujemna oraz tlenek litowo-manganowy, jako elektroda dodatnia. Oba materiały oddziela membrana polimerowa, która zastępuje elektrolit w stanie ciekłym. Dzięki temu prawdopodobieństwo samozapłonu baterii zostało znacznie zmniejszone, nawet w przypadku uszkodzenia jej obudowy, ponieważ składniki użyte do budowy ogniwa są odporne na utlenianie.

Główne zalety nowego akumulatora – bezpieczeństwo

Ze względu na duże zapotrzebowanie rynku na coraz bardziej wydajne, pojemne i tanie w produkcji ładowalne baterie litowe, czynnik ekonomiczny wpływa negatywnie na bezpieczeństwo użytkowania finalnego produktu. Przy współudziale Instytutu Chemii Przemysłowej opracowano polimerowy elektrolit, który minimalizuje ryzyko zapłonu baterii litowej. W odróżnieniu od powszechnie stosowanych elektrolitów na bazie składników organicznych, elektrolit w nowym ogniwie nie zawiera lotnych, palnych składników. Dzięki temu w sytuacjach awaryjnych bateria nie ulegnie tak gwałtownemu utlenieniu, które powoduje samozapłon, co miało miejsce np. w niektórych modelach baterii smartfonów. Jest to szczególnie istotne w przypadku wykorzystania akumulatorów o większej mocy. Uszkodzenie np. akumulatora zasilającego samochód elektryczny w trakcie jazdy, może wywołać eksplozję zagrażającą życiu. „Szczególnie w tym kontekście, rozwoju samochodów z napędem elektrycznym, istotne jest poszukiwanie metod tworzenia bezpiecznych w eksploatacji ogniw zasilających” – dodaje twórca ogniwa, dr Hamankiewicz.

Dzięki zastosowaniu nowych materiałów baterię można przechowywać i przewozić w stanie naładowanym, co pozwala obniżyć koszty magazynowania i transportu. Do tej pory nie było to możliwe ze względu na zbyt duże niebezpieczeństwo samozapłonu.

Ekologia

Materiały zastosowane do budowy ogniwa dra Hamankiewicza są związkami nietoksycznymi, a więc bezpiecznymi dla środowiska, w przeciwieństwie np. do obecnie stosowanych w ogniwach związków kobaltu. Nowe ogniwo, stworzone przez polskich naukowców ma duży potencjał wykorzystania w motoryzacji, ponieważ może być obciążane dużymi prądami. Daje to możliwość jego zastosowania do zasilania w pełni elektrycznych pojazdów, które są przyszłością motoryzacji. Poszukiwanie alternatywnych rozwiązań dla użycia ropy naftowej staje się koniecznością ze względu na jej ograniczone zasoby, a nowe, bezpieczne ogniwo ma potencjał stania się kolejnym przełomem na drodze rozwoju ogniw litowo-jonowych.

Rusza ścieżka komercjalizacji

Wynalazek jest na etapie zgłoszenia krajowego patentu. Z powodu ogromnych kosztów, jakich wymaga zbudowanie laboratorium do testów w skali ćwierć- i półtechnicznej, do tej pory naukowcy mieli możliwość przeprowadzenia jedynie testów w skali laboratoryjnej. Obecnie Uniwersytecki Ośrodek Transferu Technologii poszukuje inwestora branżowego, który zdoła wykorzystać ogromny potencjał wynalazku. Poszukiwania prowadzone są głównie za granicą, wśród największych koncernów z branży. Najprawdopodobniej w niedalekiej przyszłości wynalazek zostanie objęty międzynarodową ochroną patentową.

„Naszym zadaniem jest przeprowadzić ten wynalazek przez ścieżkę komercjalizacyjną, tak aby w przyszłości mogły z niego korzystać szerokie grupy użytkowników w możliwie dużej skali. Na tym etapie konieczne jest sfinansowanie kosztownych badań i testów w skali dostatecznej do tego, by otworzyć drogę do projektowania produktów do użytku masowego i przemysłowego. Wierzę, że ze względu na potencjał tego wynalazku, uda nam się pozyskać inwestora, a następnie przekonać światowych producentów akumulatorów do wykorzystywania tej myśli technologicznej” – mówi Robert Dwiliński dyrektor Uniwersyteckiego Ośrodka Transferu Technologii UW.

Szeroko zakrojone badania

Ogniwo powstało w ramach Programu Badań Stosowanych, finansowanego przez Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Projekt „Badania i rozwój nowoczesnych technologii polimerowych ogniw litowo-jonowych o podwyższonym bezpieczeństwie eksploatacji" był realizowany w latach 2012-2015. Prace badawcze pozwoliły wyznaczyć parametry nowych związków czynnych ładowalnych baterii litowych. Umożliwiło to selekcję materiałów do konstrukcji ogniwa litowo-jonowego nowego typu. Badania prowadzone były przez duży zespół naukowców pod kierownictwem profesora Andrzeja Czerwińskiego, kierownika Pracowni Elektrochemicznych Źródeł Energii na Wydziale Chemii UW. Byli w nie zaangażowani naukowcy z Wydziałów Chemii oraz Fizyki UW, Politechniki Warszawskiej, Instytutu Chemii Przemysłowej, Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Instytutu Metali Nieżelaznych o. CLAiO.

Efektem Programu NCBiR jest powstanie czterech prac doktorskich, z których trzy zostały wyróżnione. Praca dr Bartosza Hamankiewicza - głównego twórcy nowego ogniwa, zdobyła nagrodę w „Konkursie na pracę dyplomową posiadającą najwyższy potencjał komercjalizacyjny”, którego organizatorem jest Uniwersytecki Ośrodek Transferu Technologii UW. Fundatorem nagród w konkursie jest Kancelaria rzeczników patentowych AOMB Polska będąca członkiem AIPEX – sojuszu kancelarii rzecznikowskich z krajów Unii Europejskiej. „Jako rzecznicy patentowi jesteśmy wpisani w model 'czasowa ochrona w zamian za ujawnienie', który stymuluje postęp techniczny” – mówi Jakub Sielewiesiuk, prezes zarządu AOMB Polska, polski i europejski rzecznik patentowy. „Wierzymy, że przez aktywne i systematyczne wspieranie tego modelu przez inicjatywy takie jak obecny konkurs, przyczyniamy się w długim terminie do rozwoju młodych, zdolnych ludzi, Uniwersytetu i – jakkolwiek górnolotnie by to zabrzmiało – rozwoju polskiej nauki i gospodarki, wzmacniając jej pozycję wśród innych krajów” – dodaje Jakub Sielewiesiuk.

Silne zaplecze naukowe

W rozwoju elektrochemicznych źródeł energii istotnym aspektem jest ciągłość prac badawczych i przekazywanie wiedzy między pokoleniami naukowców. Profesor Czerwiński od przeszło 40 lat związany jest z Uniwersytetem Warszawskim i od początku zajmuje się problematyką związaną z ogniwami. Pięć lat temu zakończył pracę nad nowym typem akumulatora ołowiowo-kwasowego, którego pojemność energetyczna jest prawie o połowę większa od obecnie stosowanych. Za swój wynalazek otrzymał nagrody w Genewie, Brukseli i Warszawie oraz nagrodę Prezesa Rady Ministrów za osiągnięcia naukowo-techniczne. Pod opieką prof. Czerwińskiego wyrasta młode pokolenie naukowców, którzy chętnie czerpią z doświadczenia i wiedzy swojego mentora, co widać na przykładzie dra Hamankiewicza. „Istotnym wsparciem w naszych badaniach była współpraca z Centralnym Laboratorium Akumulatorów i Ogniw, które działa nieprzerwanie od siedemdziesięciu lat, a które jest numerem jeden jeśli chodzi o akumulatory w Polsce.” – podkreśla prof. Czerwiński.

Owocne badania i ważne wyróżnienia

Prowadzone przez zespół badania nie zakończyły się na stworzeniu ogniwa litowo-jonowego. Program Badań NCBiR stał się fundamentem dla podjęcia prac nad ogniwem bipolarnym. Działalność profesora oraz całej Pracowni Elektrochemicznych Źródeł Energii została doceniona na arenie międzynarodowej. Naukowcy zostali zaproszeni przez koncern bateryjny VARTA do udziału w programie badań nad nowym typem wysokoenergetycznej baterii litowo-jonowej w ramach finansowania badań naukowych i innowacji w Unii Europejskiej. Jest to jeden z projektów prestiżowego programu Horyzont 2020. Weźmie w nim udział 9 jednostek naukowych z 6 krajów, co stanowi ogromne wyróżnienie. Jest to już drugie wspólne międzynarodowe przedsięwzięcie z VARTĄ. Poprzednie wykonywane z ramach 6. Programu Ramowego dotyczyło zakończonego sukcesem opracowania nowego akumulatora niklowo-wodorkowego (NiMH) pracującego w bardzo niskich temperaturach.

O niełatwej drodze do sukcesu

Opracowanie nowego typu ogniwa, które będzie posiadało dużą pojemność energetyczną, a jednocześnie będzie bezpieczne, nie było prostym zadaniem. Prof. Czerwiński, kierownik badań, opisuje szerzej kulisy wynalazku: „Lit jest najlżejszym metalem i łatwo oddaje elektrony, ale przez to jest bardzo aktywny chemicznie. Nie może znajdować się w bezpośrednim kontakcie z elektrolitami wodnymi. Zastosowanie metalicznego litu w akumulatorach litowych powodowało stopniową jego degradację w poszczególnych cyklach pracy na skutek reakcji z rozpuszczalnikiem. W efekcie ogniwo szybko traciło swoją pojemność. Dopiero użycie grafitu jako matrycy dla atomów litu pomogło rozwiązać ten problem. Metaliczny lit umiejscawia się w graficie pomiędzy warstwami grafenowymi (ulega interkalacji) i nie ma bezpośredniego kontaktu z elektrolitem. W rozwiązaniu opracowanym na Uniwersytecie Warszawskim w skonstruowanym ogniwie nie zastosowano metalicznego litu, ani reaktywnej formy grafitu interkalowanego litem, a tylko jego związek chemiczny z tlenkiem tytanu. Pozwoliło to ominąć problem z kłopotliwą reaktywnością litu”.