Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie opracowali materiały kompozytowe, które mogą stać się bezpieczną alternatywą dla katod kobaltowych stosowanych do budowy ogniw litowo-jonowych. Kłopoty z przegrzewaniem się takich akumulatorów doprowadziły ostatnio do uziemienia floty dreamlinerów. Jak informuje w rozmowie z Grzegorzem Jasińskim profesor Janina Molenda z Wydziału Energetyki i Paliw AGH, prace nad opatentowanym już rozwiązaniem trwają i powinny zakończyć się w ciągu dwóch lat.

O zaletach i wadach akumulatorów litowo-jonowych, o tym, dlaczego się przegrzewają i jak można próbować sobie z tym poradzić mówi w rozmowie z RMF FM prof. Janina Molenda, kierownik Katedry Energetyki Wodorowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Prace prowadzone we współpracy z Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów Wydziału Chemii UJ zmierzają do wprowadzenia na rynek nowego materiału do budowy katod, który problem przegrzewania się wyeliminuje.

Profesor Janina Molenda z AGH o rozwiązaniu, które może pomóc m.in. dreamlinerom

Grzegorz Jasiński: Dlaczego akumulatory litowo-jonowe są w tej chwili tak atrakcyjne i wiąże się z nimi tak dużo nadziei?

Prof. Janina Molenda: Ogniwa litowe, które od co najmniej dziesięciu lat stały się bardzo atrakcyjnym źródłem energii bazują na reakcji interkalacji (wbudowania) litu do związków metali przejściowych, co ma związek z wykorzystaniem energii z głębokich poziomów elektronowych d. To oznacza, że w akumulatorach tych można magazynować znaczne ilości energii. Magazynowana gęstość energii w ogniwach litowych jest trzy razy większa, niż gęstość energii w dotychczasowych ogniwach niklowo-kadmowych, czy niklowo-wodorkowych. Parametry ogniw litowych są bardzo interesujące także dlatego, że można uzyskiwać z nich wysokie napięcia rzędu 5 voltów. Obecnie stosuje się je głównie w przenośnej elektronice, gdzie stanowią nawet 60 procent rynku, skutecznie wypierając pozostałe typy ogniw. Istotne znaczenie ma tu także przekraczająca 1000 liczba cykli pracy ładowanie - rozładowanie, znacznie lepsza, niż w przypadku akumulatorów niklowo-wodorkowych.

A jak wygląda sprawa pamięci przy ładowaniu?

Nie ma problemu pamięci, natomiast są problemy z szybkością ładowania. Myśląc o zastosowaniu ogniw litowych w samochodach elektrycznych, musimy mieć świadomość, że nie będzie można ładować ich w bardzo krótkim czasie, na pewno nie poniżej jednej godziny. Architektura tych ogniw jest taka, że przy dużym prądzie ładowania niszczymy strukturę ogniwa, niszczymy warstwę SEI (Solid Electrolyte Interface) utworzoną między elektrodą a elektrolitem, możemy spodziewać się narastania nanodendrytów litu, które zwierają ogniwa. Tak, że na pewno nie da się tych baterii bardzo szybko ładować. To z pewnością jest cechą niepożądaną.

Przekonaliśmy się już o problemach z bateriami litowo-jonowymi w przypadku zastosowań dla elektroniki domowej. Pojawiły się sporadyczne przypadki przegrzania, czy wręcz zapalania się akumulatorów. Z czego ten problem się bierze?

Problem przegrzewania się akumulatorów litowych związany jest ze zgromadzoną w nich energią i stabilnością chemiczną materiałów. Ogniwa litowe, które są obecnie w handlu bazują na elektrolicie ciekłym, to jest sól litowa rozpuszczona w rozpuszczalnikach organicznych. W przypadku stosowania materiału katodowego na bazie tlenku kobaltowego, a to główny składnik ogniw litowych, wykorzystuje się energię z zakresu zawartości litu od 1 mola, do 0,5. Pojemność odwracalna jest z konieczności ograniczona do 50 procent pojemności teoretycznej, co ma związek ze strukturą elektronową materiału katodowego, tego właśnie tlenku litowo-kobaltowego. W procesie ładowania pobieramy elektrony d kobaltu, jednak przy zawartości litu w tym materiale rzędu pół mola na mol związku zaczyna się pobór elektronów z pasma 2p tlenu. To prowadzi do utlenienia tlenu sieciowego. Tlen sieciowy z postaci jonowej przechodzi w postać atomową i łącząc się w cząsteczki reaguje z ciekłym elektrolitem. Jest to reakcja silnie egzotermiczna, wydzielająca dużo energii i może prowadzić do przegrzania a nawet eksplozji.

Czyli nie jest to problem związany z konstrukcją danego ogniwa, ale raczej zjawisko wpisane w mechanizm ich działania. Można go tylko łagodzić, można zapobiegać.

Z jednej strony tak, bronimy się przed tym w ten sposób, że jest tam napięcie odcięcia. Jak widać jednak nie zawsze to działa. Problem jest przy tym jeszcze poważniejszy dla większych akumulatorów, bo tam gromadzi się więcej energii i sprawa odprowadzenia tej energii staje się jeszcze istotniejsza.

Ten elektrolit po prostu jest palny, w związku z tym po przegrzaniu może dojść do wybuchu.

Chcielibyśmy, żeby elektrolit był niepalny, niewybuchowy, nieoddziaływający z materiałami elektrodowymi. To jednak trudne zadanie. W wielu laboratoriach na świecie trwają badania nad elektrolitami, które nie wykorzystywałyby rozpuszczalników organicznych. Barierą jest wciąż za niskie przewodnictwo jonów litu w temperaturze pracy akumulatorów, czyli temperaturze pokojowej. Myśli się o elektrolitach litowych polimerowych, także wykorzystujących ciecze jonowe, szkliste. Jednak wciąż te innowacyjne rozwiązania nie spełniają tego warunku, że przewodnictwo jonów litu w temperaturze pokojowej musi być odpowiednio wysokie.

Najprościej mówiąc, chodzi o to, że w cieczy te jony mogą się łatwiej, szybciej przemieszczać. Jeśli zwiążemy je w postać ciała stałego, czy szkła, to przewodnictwo jest znacznie gorsze. Chciałbym zapytać o perspektywę tych badań, o których pani profesor mówi, badań nad zmianą tych elektrolitów na bezpieczniejsze. Skoro zdecydowano się jednak już na zastosowanie tych obecnych ogniw w samolotach, to wygląda na to, że perspektywy sukcesu w tworzeniu nowych są jeszcze odległe. Nie ma szans by ten postęp nastąpił w ciągu roku, dwóch, pięciu?

Moim zdaniem te niepowodzenia w zastosowaniu ogniw litowych są przede wszystkim związane z całkiem niedopracowaną koncepcją materiału katodowego. Zastosowany materiał katodowy jest zbyt aktywny w stosunku do elektrolitu. We współpracy z Uniwersytetem Jagiellońskim pracujemy właśnie nad bardzo bezpiecznym materiałem katodowym na bazie fosforanu litowo żelazowego, który jest materiałem niezmiernie stabilnym, spośród wszystkich materiałów jakie znano i stosowano od roku 1991, kiedy firma Sony po raz pierwszy wprowadziła tę technologię na rynek. Fosforan litowo żelazowy jest najbardziej stabilny, ma niezłe napięcie - 3,5 V, dobrą pojemność teoretyczną, natomiast jego wadą jest niskie przewodnictwo jonów litu i elektronów, co powoduje, że ma nienadzwyczajne parametry, jeśli chodzi o gęstość prądu. Przechodząc do nanoskali można poprawić przewodnictwo jonów litu. Po prostu zmniejszając rozmiar ziaren, zmniejszamy drogę dyfuzji dla jonów litu. Specjalna technologia powlekania tych ziarenek fosforanu węglem, umożliwia otrzymanie nanokompozytu, który ma bardzo dobre przewodnictwo jonów litu i elektronów. W ten sposób równocześnie znacznie zwiększamy gęstość prądu, który możemy z tego źródła uzyskać i poprawiamy bezpieczeństwo takiego materiału katodowego. On praktycznie nie reaguje z elektrolitem ciekłym.

Kiedy to może dawać nadzieję na praktyczną budowę akumulatorów, które będą bezpieczniejsze?

Metoda powlekania ziaren fosforanu litowo żelazowego nanometrycznym węglem jest już opatentowana. Właścicielem patentu jest Uniwersytet Jagielloński. Prowadzimy dalsze badania. Myślą, że będziemy mogli taki produkt wprowadzić na rynek do dwóch lat.

Jak tego typu rozwiązanie może wpłynąć na ten wielki rynek choćby samochodów elektrycznych? Czy to może być rewolucja, czy to będzie jeden z elementów, które stopniowo będą popychały tę technologię do przodu?

Myślę, że problem, który pojawił się w dreamlinerach będzie takim samym problemem w akumulatorach litowych dla samochodów elektrycznych, bo to także są akumulatory o dużej pojemności, gromadzą dużą ilość energii. W związku z tym warunki stawiane materiałom oraz sprawa odbioru ciepła, stabilność termiczna i chemiczna ma znaczenie zasadnicze. Myślę, że nasz układ jest dobrym rozwiązaniem. Jesteśmy w tej chwili na etapie testów laboratoryjnych, dobrze się to sprawdza. Za moment przechodzimy do pilotażowej serii takich ogniw litowych.

Ten pomysł, nad którym państwo w tej chwili pracujecie, jest najbardziej obiecujący?

Najbardziej obiecujący ze względu na bezpieczeństwo. Fosforan litowo żelazowy jest niezmiernie stabilną solą. To zupełnie co innego, niż wcześniej stosowane materiały katodowe. To jest przyszłość. Potrzebne jest dopracowanie technologiczne, nanoskala i to powlekanie. Myślę, że to może zakończyć się sukcesem.