Naukowcy z PW pracują nad bateriami nowej generacji

Pięcioro naukowców z Wydziału Chemicznego PW uczestniczy w międzynarodowym projekcie badawczym ANGeLiC, finansowanym przez program Horyzont Europa. Projekt skupia się wokół rozwoju technologii baterii i wsparcia transformacji Europy w kierunku neutralności klimatycznej w transporcie. Bierze w nim udział 13 wiodących partnerów z 10 krajów, a prace potrwają do końca 2028 roku. Koordynatorem projektu jest estońska organizacja pozarządowa CIVITTA Foundation, będąca częścią grupy doradczej CIVITTA Group.

Projekt ANGeLiC (ALD-protected Next Generation Lithium-Sulphur Battery Cell) zajmuje się jednym z kluczowych wyzwań w walce ze zmianami klimatycznymi: opracowaniem bezpieczniejszych, bardziej wydajnych i zrównoważonych baterii do pojazdów ciężkich, takich jak ciężarówki i autobusy. Pojazdy te odpowiadają za około 28% emisji CO₂ związanej z transportem, mimo że stanowią jedynie 2% pojazdów na drogach Europy. Projekt otrzymał dofinansowanie w wysokości niemal 5 mln euro i jest sfinansowany w całości przez program Horyzont Europa.

Celem projektu jest opracowanie baterii litowo-siarkowych, które mają dużo większą gęstość energii niż baterie litowo-jonowe. Przez to mogą być lepszym źródłem zasilania (umożliwić większy zasięg) dla samochodów elektrycznych. 

– Ich gęstość energii sprawi, że ich niska masa w stosunku do pojemności umożliwi stworzenie pierwszych większych samolotów elektrycznych. Baterii litowo-siarkowych na razie jeszcze nie ma na szerszą skalę komercyjną. Istniejące prototypy są rozwijane przez liczne instytucje naukowe i firmy na świecie, ale bazują one na dość drogich oraz mało bezpiecznych materiałach, w dodatku trudnych w recyklingu, produkcji, a same baterie działają relatywnie krótko. Celem projektu ANGeLiC jest więc stworzenie baterii litowo-siarkowych, które będą działać długo - przynajmniej tyle, co współczesne baterie litowo-jonowe – tłumaczy dr hab. inż. Leszek Niedzicki, prof. uczelni, z Wydziału Chemicznego PW. 

Dodatkowo mają mieć co najmniej parametry aktualnego stanu techniki, ale będą korzystały z tańszych, bezpieczniejszych, łatwiejszych w produkcji i recyklingu materiałów. W praktyce będzie to polegało na użyciu nowych technik produkcji, jak ALD (osadzanie pojedynczych warstw atomowych na elektrodach w celu ich zabezpieczenia i wydłużenia ich życia), zastosowania dodatków do elektrolitów oraz użycia elektrolitów polimerowych. Baterie litowo-siarkowe z elektrolitem polimerowym zasilą w przyszłości nasze samochody elektryczne, ciężarówki, a nawet samoloty elektryczne. 

– Będą mogły być też użyte wszędzie tam, gdzie dotąd stosuje się baterie litowo-jonowe - małe urządzenia mobilne, magazyny energii. Dzięki dużo większej gęstości energii urządzenia będą działały dłużej, a pojazdy będą miały większy zasięg na jednym ładowaniu. Jednocześnie baterie litowo-siarkowe nie potrzebują do produkcji rzadkich surowców, takich jak kobalt czy nikiel. To powoduje większą niezależność produkcji w Polsce i w UE - posiadamy własne zasoby siarki, np. w Tarnobrzegu – wyjaśnia prof. Niedzicki. 

Baterie litowo-siarkowe docelowo powinny też wyraźnie tańsze w produkcji masowej - siarka zastępująca metale jest znacznie tańsza, jest ponad 100 razy tańsza niż kobalt. Natomiast dzięki użyciu elektrolitów polimerowych baterie litowo-siarkowe zapewnią większe bezpieczeństwo (są niepalne), a także ułatwią późniejszy recykling surowców. Dzięki użyciu polimerowych elektrolitów baterie powinny służyć nam znacznie dłużej w latach, bez potrzeby wymiany baterii, co zwłaszcza jest istotne w pojazdach.

Bezcenny wkład naszych chemików

Politechnika Warszawska została zaproszona do udziału w projekcie ze względu na wieloletnie doświadczenie w rozwijaniu i opracowywaniu nowych elektrolitów do nowoczesnych ogniw galwanicznych. Ze względu na specyfikę i cele projektu potrzebne są nowe rozwiązania, które nie są dostępne komercyjnie, a zespół z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej od lat opracowuje nowe rozwiązania na własnych technologiach, szyte na miarę. 

– Rolą Politechniki Warszawskiej w projekcie będzie opracowanie zarówno dodatków do elektrolitów, jak i elektrolitów polimerowych. Elektrolity polimerowe opracowywane w PW różnią się istotnie od stanu techniki dzięki użyciu własnych unikalnych soli litowych, w rozwoju i opracowywaniu których zespół z PW się specjalizuje. Na świecie w branży używa się jedynie 4-5 soli, gdyż tylko tyle spełnia wymogi przemysłowe. Politechnika Warszawska stosuje kolejne 4-5 soli na własnych patentach – podkreśla prof. Niedzicki. – W projekcie Politechnika Warszawska odpowiada za opracowanie elektrolitu, opracowanie i wyprodukowanie soli litowych do elektrolitu, a także dodatków, w tym cieczy jonowych, również opartych na naszych technologiach. W ramach badań będziemy testowali nasze elektrolity z pozostałymi komponentami ogniwa, jesteśmy też współodpowiedzialni za testowanie dodatków usprawniających działanie baterii.

Zespół z Politechniki Warszawskiej w ramach projektu ANGeLiC rozwija swój know-how o elektrolity stałe do baterii litowo-siarkowych. Dzięki udziałowi w projekcie zespół ma szansę na zwiększenie wiedzy o swoich materiałach i ich działaniu z nowymi generacjami elektrod, w tym wytwarzanych najnowszymi metodami, takimi jak ALD i MLD. 

– Prace są we wstępnej fazie, chociaż w pracy badawczej korzystamy z bogatego doświadczenia zespołu w licznych bateryjnych projektach europejskich i krajowych oraz projektach we współpracy z przemysłem, w których najczęściej pełnimy rolę odpowiedzialnych za rozwój elektrolitów do baterii. Jest to nasza specjalność – zaznacza prof. Niedzicki. 

Materiały wytwarzane przez zespół z PW i ich zachowanie w baterii będą także analizowane przez najnowsze metody badawcze oferowane przez inne najlepsze ośrodki europejskie - partnerów w projekcie ANGeLiC. Na koniec, materiały wytworzone przez zespół będą przetestowane w prototypach baterii wytworzonych w warunkach rzeczywistych fabrycznych, co będzie "chrztem bojowym" w kolejnej dziedzinie - baterii litowo-siarkowych. Materiały wytworzone przez zespół od lat działają już w komercyjnych bateriach litowo-jonowych, także z najnowszymi generacjami elektrod. Teraz pora na baterie litowo-siarkowe.

W projekcie bierze udział 5 osób, wszystkie są z Wydziału Chemicznego: 

• Dr hab. inż. Leszek Niedzicki, prof. uczelni, jest specjalistą od soli litowych, cieczy jonowych i elektrolitów. Koordynuje prace w projekcie, nadzoruje też syntezę soli, cieczy jonowych i dodatków, wytwarza elektrolity i wykonuje pomiary elektrochemiczne.

• Dr inż. Maciej Marczewski jest specjalistą od ogniw litowo-siarkowych, wykonuje pomiary elektrochemiczne, składa ogniwa i doradza w zakresie doboru materiałów.

• Dr inż. Marta Kasprzyk jest specjalistką od elektrolitów polimerowych, wytwarza elektrolity i wykonuje pomiary elektrochemiczne.

• Dr inż. Marek Broszkiewicz jest specjalistą od elektrolitów, testuje elektrolity, składa ogniwa i wykonuje pomiary elektrochemiczne oraz spektroskopowe.

• Mgr inż. Klaudia Rogala jest specjalistką od syntezy materiałów zawierających aniony słabokoordynujące i od elektrolitów polimerowych. Syntezuje sole litowe, ciecze jonowe i dodatki, a także wytwarza elektrolity polimerowe.

Praca w szczególnych warunkach

Wyzwaniem, jak zawsze w pracy z nowymi generacjami baterii, jest praca w komorach rękawicowych wypełnionych argonem. Cała praca laboratoryjna - odważanie, nastrzykiwanie, składanie i montaż baterii - jest wykonywana w trzech rękawiczkach nałożonych naraz. Gruba gumowa rękawica jest barierą dla atmosfery i utrzymuje czystość gazu w komorze. Wewnętrzna lateksowa zabezpiecza tą gumową przez zanieczyszczeniem - wymiana gumowej jest trudna. Zewnętrzna bawełniana rękawiczka jest używana z powodów higienicznych - w komorze pracuje wiele osób, a gumowa rękawica jest trudna do mycia. 

Do komory wszystkie narzędzia, naczynia i odczynniki muszą być ostrożnie i długo przepompowane - przez godzinę dla nieporowatych materiałów, a np. całą noc dla porowatych (np. specjalne chusteczki). Służy to temu, żeby nie narazić litu na zanieczyszczenie tlenem, azotem lub wilgocią obecnych w powietrzu, a wilgoć jest obecna na wszystkich przedmiotach na powietrzu. Powoduje to jednak, że praca jest znacznie wolniejsza, co uczy systematyki, dobrego planowania i uwagi - nie można o niczym zapomnieć przy wkładaniu sprzętu do środka. 

Nie można także niczego upuścić, a z żadnej z tysięcy używanych strzykawek do odmierzania elektrolitu nie może nic skapnąć, gdyż nie ma tego jak wytrzeć - chusteczek jest mało i pompuje się je wiele godzin, bowiem w ich porach jest szkodliwa dla atmosfery w baterii wilgoć. Również czyszczenie i zamiatanie jest trudniejsze, gdyż w komorze są ograniczone możliwości ruchu. Praca laboratoryjna jest więc dłuższa niż w warunkach typowego laboratorium, także ze względu na wymaganą ostrożność pracy.

Międzynarodowy zespół badawczy

Projekt ANGeLiC zrzesza grupę partnerów z całej Europy, koncentrujących się na opracowaniu nowych technologii baterii. Oprócz Politechniki Warszawskiej oraz koordynatora projektu - CIVITTA Foundation, zespół tworzą wiodące instytuty badawcze: Centrum Zastosowań Zaawansowanych Materiałów (Centre for Advanced Materials Application) ze Słowacji, Instytut Fraunhofera ds. Technologii Ceramicznych i Systemów (Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems) z Niemiec, Instytut Chemii Fizycznej im. J. Heyrovskiego (J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry) z Republiki Czeskiej oraz Francuskie Narodowe Centrum Badań Naukowych (The National Centre for Scientific Research, CNRS) wraz z jednostkami partnerskimi Université Savoie Mont Blanc oraz Grenoble INP z Francji. W skład konsorcjum wchodzą także uniwersytety: Imperial College London oraz University College London z Wielkiej Brytanii, Baskijskie Centrum Projektowania i Inżynierii Makrocząsteczek (The Basque Center for Macromolecular Design and Engineering) z Hiszpanii, Technion – Izraelski Instytut Technologiczny (Technion – Israel Institute of Technology) oraz lider przemysłowy Avesta Battery and Energy Engineering z Belgii, specjalizujący się w produkcji i komercjalizacji akumulatorów.