Nowe rozwiązanie techniczne dla elektromobilności

Rozwój elektromobilności oparty na stosowanych obecnie bateriach litowo-jonowych stanął pod znakiem zapytania w związku z utrudnieniami, które wynikają głównie z ograniczeń surowców. Badania nad opracowaniem nowej technologii, która pozwoliłaby na rozwiązanie tego problemu oraz uzyskanie lepszych parametrów pracy baterii znalazły się na liście priorytetów Unii Europejskiej, a także uznano je za kluczowy obszar działalności POB Konwersja i magazynowanie energii.

– Cały czas trwają prace nad nowymi technologiami ogniw, które pozwolą uzyskać większe pojemności niż ogniwa litowo-jonowe – mówi dr inż. Maciej Marczewski z Wydziału Chemicznego PW, kierownik projektu. – Już teraz obserwujemy gwałtowny rozwój ogniw sodowo-jonowych, magnezowo-jonowych oraz ogniw lit-powietrze czy lit-siarka – dodaje.

Stanowisko badawcze

Nowa technologia

Każde ogniwo składa się z trzech głównych komponentów: anody, katody i elektrolitu. W ogniwach litowo-jonowych anodą jest grafit, katodami są różnego rodzaju związki nieorganiczne, a elektrolit oparty jest na organicznych rozpuszczalnikach. W przypadku ogniw typu lit-siarka naukowcy zastępują grafit metalicznym litem bądź, jak w przypadku tego projektu, opracowują nowe materiały anodowe.

– Katodą jest siarka wymieszana z węglem, a dokładniej siarka unieruchomiona w materiale węglowym. W ten sposób zastąpiliśmy tanią siarką drogie i trudne do pozyskania materiały. Co więcej, ta technologia pozwala na uzyskanie lepszych parametrów użytkowych całego ogniwa – mówi dr inż. Marczewski.

Katoda wykorzystywana w ogniwach typu lit-siarka

Wyzwania

Jak w każdej nowej technologii, również i w tej naukowcy stanęli przed trudnościami.

– Na każdym etapie prac pojawiają problemy, ale nagroda, która czeka na końcu jest warta tego, aby podjąć się tego wyzwania – mówi dr inż. Marczewski. – Jeśli chodzi o materiał katodowy, to problemem jest sposób związania, czyli unieruchomienia siarki. Upraszczając można powiedzieć, że w wyniku reakcji elektrodowych, które zachodzą na katodzie, materiał aktywny, czyli siarka, zmienia swoją postać i przechodzi do siarczku litu. Przy źle skonstruowanym materiale katodowym, siarka potrafi się uwolnić podczas kolejnych cykli rozładowania i ładowania, przez co tracimy materiał aktywny, uśmiercając ogniwo – wyjaśnia naukowiec.

Wsparcie IDUB

Naukowcy z Politechniki Warszawskiej przyznają, że motywatorem do rozpoczęcia prac nad nową technologią ogniw był konkurs na granty badawcze ENERGYTECH-1.

– Chcieliśmy w ten sposób zwiększyć kompetencje naszego zespołu o nowe ogniwa. Do tej pory zajmowaliśmy się przede wszystkim technologią litowo-jonową, jednak wchodziliśmy też w inne technologie wykorzystujące takie metale jak magnez czy sód. Teraz chcieliśmy zacząć coś nowego – mówi dr inż. Marczewski.

Naukowcy postanowili użyć znanych pomysłów, które sprawdziły się w technologii litowo-jonowej i przełożyć je na grunt technologii ogniw lit-siarka. Udało się i wytwarzają materiał oraz przeprowadzają pierwsze cykle ładowania-rozładowania.

Ogniwa typu lit-siarka

– Pracujemy już na układach, które są charakterystyczne dla ogniw lit-siarka, a nie dla technologii litowo-jonowych. Wciąż walczymy o coraz lepsze parametry, a wyniki eksperymentów są pozytywne – mówi dr inż. Marczewski – Coraz głębiej wchodźmy w ten temat. Jesteśmy już w stanie wytworzyć modelowe ogniwo, które ma wszystkie komponenty i teraz optymalizujemy jego działanie. Dzięki temu projektowi uruchomiliśmy również produkcję materiałów katodowych dla ogniw lit-siarka – dodaje.

Międzynarodowa współpraca

Jednym z efektów grantu jest międzynarodowa współpraca z prof. Patrikiem Johanssonem z Chalmers University of Technology w Szwecji, który uznawany jest za jednego z czołowych naukowców zajmujących się tematyką ogniw litowo-jonowych, oraz współpraca z badaczami z Poznania i Norwegii. Z tymi ostatnimi naukowcy z PW założyli konsorcjum, w ramach którego złożyli wspólny międzynarodowy wniosek badawczy i pozyskali finansowania na wytwarzanie materiałów katodowych opartych na modyfikowanym tlenku grafenu do ogniw lit-siarka.

–  Współpraca zagraniczna jest podstawą rozwoju każdego naukowca. To wyjazdy zagraniczne umożliwiają konfrontacje różnych pomysłów. Pozwalają też „przewietrzyć głowę” – mówi prof. Marcinek.

-

Projekt „Wytwarzania i charakteryzacja kompozytowych materiałów anodowych metodą MPCVD do zastosowań w ogniwach lit-siarka” finansowany był z grantu badawczego POB Konwersja i magazynowanie energii programu Inicjatywa Doskonałości - Uczelnia Badawcza, który realizowany jest na Politechnice Warszawskiej.

Skład zespołu badawczego:

• Wydział Chemiczny PW: dr inż. Maciej Marczewski; prof. dr hab. inż. Marek Marcinek; mgr inż. Maciej Smoliński; mgr inż. Katarzyna Chrzanowska; inż. Aleksandra Ossowska;
• Wydział Fizyki PW: dr hab. inż. Wojciech Wróbel, prof. uczelni; dr inż. Marcin Małys;
• Chalmers University of Technology: prof. Patrik Johansson