Naukowcy krakowskiej AGH stworzyli materiał, którego zastosowanie w katodach ogniw litowo-jonowych może znacznie poprawić właściwości baterii stosowanych w samochodach, czy autobusach elektrycznych. Jak podkreśla prof. dr hab. Janina Molenda, kierownik Katedry Energetyki Wodorowej, wniosek patentowy został już zgłoszony, teraz pora na kolejny etap badań i opracowanie metody tworzenia tego materiału w większej ilości.

Posłuchaj wywiadu z Janiną Molendą!

Posłuchaj rozmowy Grzegorza Jasińskiego z kierowcą krakowskiego MPK testującym elektryczne autobusy

Zastosowanie ogniw litowych w komunikacji autobusowej, która choćby w Krakowie mogłaby przyczynić się do redukcji smogu, będzie przedmiotem zorganizowanej w Akademii Górniczo-Hutniczej popularno-naukowej konferencji, "Kraków - Stop emisji - Elektryczna komunikacja miejska".

Podczas imprezy pod patronatem między innymi RMF FM, będzie można wysłuchać wykładów na temat najnowocześniejszych technologii energetycznych i zastosowania ich w motoryzacji. Zaplanowano też pokazy praktycznych rozwiązań samochodów elektrycznych i hybrydowych. Konferencja odbędzie się w piątek, 23 maja 2014 roku, w godzinach 10-16, w pawilonie U2 Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie, ul. Mickiewicza 30. 

Jak podkreśla w rozmowie z Grzegorzem Jasińskim przewodnicząca konferencji, prof. Janina Molenda, baterie litowo-jonowe stosowane w samochodach i autobusach nie sprawiają problemów, na które natknęli się budowniczowie samolotów Dreamliner, są skonstruowane z innych, stabilnych i bezpiecznych w eksploatacji materiałów.

Grzegorz Jasiński: Jakie są podstawowe cele tej konferencji, ona jest bardziej naukowa, czy ekologiczna?

Janina Molenda: Ma pokazać nowe technologie energetyczne dla pojazdów samochodowych, ma zwrócić uwagę, że w Krakowie i innych ośrodkach naukowych w Polsce jest w tej dziedzinie duży potencjał. Dlatego wychodzimy z taką inicjatywą, propozycją do decydentów, do przedstawicieli różnych firm, motoryzacyjnych, energetycznych, licząc, że zainteresują się naszymi osiągnięciami.

Kraków ma gigantyczne problemy ze smogiem, z czystością powietrza, na ile komunikacja oparta na autobusach elektrycznych mogłaby to zmienić?

Elektryczna komunikacja miejska w Krakowie to bardzo realny i wart inwestycji pomysł, który mógłby istotnie zmniejszyć niską emisję, która jest bardzo uciążliwa i poziom hałasu. Pierwsza linia 154 została już uruchomiona. Warto zadbać o czystość miasta i wprowadzić tę komunikację w centrum.

O bateriach litowo-jonowych w komunikacji  najczęściej ostatnio mówiło się przy okazji kłopotów Dreamlinerów. To oczywiście potencjalnych pasażerów nie zachęca. Ale jak rozumiem, baterie, które są stosowane w obecnie proponowanych modelach autobusów, nie mają takich problemów.

Te autobusy dopiero zaczynają jeździć, ale myślę, że będzie się to odbywało bezawaryjnie. W Dreamlinerach problem polegał na tym, ze stosowano pakiety baterii o dużej, skumulowanej gęstości energii i chyba nie do końca zostały te baterie przetestowane w laboratoriach. One były testowane w innych warunkach, niż potem musiały pracować. Był tam problem z odbiorem ciepła, ale i samymi, zastosowanymi tam materiałami. Te baterie bazują na materiale katodowym opartym o tlenek litowo-kobaltowy, który przy dużym stopniu naładowania może być niebezpieczny. Wydziela się tam tlen, który reaguje z organicznym elektrolitem. To może prowadzić do przegrzania i eksplozji. W autobusach elektrycznych ogniwa litowe zawierają w swojej strukturze nie tlenek litowo-kobaltowy, ale fosforan litowo-żelazowy, zwany fosfooliwinem, który jest zupełnie innego typu materiałem. Nie jest to reaktywny tlenek ale bardzo stabilna sól. To jest bardzo obiecujący materiał, pozwala uzyskać wysokie napięcie 3,5 V, znacznie wyższą gęstość energii, 70 mAh na gram i co najważniejsze, jest stabilny. Jest też jako związek żelaza przyjazny środowisku, jest go dużo, jest tani, produkcja nie jest trudna. Większość fabryk akumulatorów, zwłaszcza te w Chinach, które - jak się szacuje - w 2016 roku przejmą około 40 procent rynku ogniw litowych na bazie właśnie fosfooliwinu. Powstało tam 10 wielkich fabryk, które go produkują.

Co ile godzin eksploatacji taki autobus będzie musiał być ładowany, jaka jest gwarancja, ile cykli ładowania te baterie zniosą, czy tu jest jakieś ograniczenie, czy to można robić w taki bezstratny sposób.

Autobusy elektryczne mają pakiety baterii, gromadzące co najmniej 200 kWh energii, a system nocnego ładowania ma umożliwić pełne naładowanie ich w ciągu 4-5 godzin. Są też przygotowywane systemy szybkiego ładowania z mocą 120 kW, a nawet 200 kW, ale myślę, że to dotyczy tylko bardzo specyficznych sytuacji, w większości będą bazować na tym ładowaniu nocnym, w zajezdni. Jest to tak pomyślane, by zgromadzona w pakiecie ilość energii wystarczyła na całodniowy transport po mieście.

Te baterie są bezpieczne na wszystkich etapach? I w eksploatacji i w produkcji i utylizacji? Czy cały ten łańcuch życia baterii jest już dobrze rozpoznany, opracowany?

Sama produkcja materiału katodowego, czyli fosfooliwinu, jest prosta. Wychodzi się z prostych substratów, to jest szczawian żelaza, kwaśny fosforan amonu oraz węglan litu, materiały łatwo dostępne. Synteza też nie jest skomplikowana, produkcja jest bezpieczna. Bezpieczna jest też eksploatacja, bo ciepło reakcji tego materiału z elektrolitem organicznym jest w stosunku do innych materiałów wyjątkowo niskie. Recycling też nie nastręcza żadnych problemów. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że nie każda metoda wytwarzania fosfooliwinu prowadzi do materiału, który jest aktywny i efektywny w ogniwach litowych. I tu muszę powiedzieć, że ostatnio przy zastosowaniu specyficznej metody niskotemperaturowej, otrzymaliśmy w Katedrze Energetyki Wodorowej wyjątkowo dobry materiał, umożliwiający pracę z pojemnościami bliskimi pojemności teoretycznej, czyli rzędu 165 mAh na gram. Ten nanometryczny materiał ma specyficzną strukturę, są tam jednowymiarowe drogi dyfuzji dla litu w kierunku 010, które wychodzą na powierzchnię ziarna. Dodatkowo wprowadziliśmy tam odrobinę domieszki - tu nie zdradzę jakiej - która powoduje, że na obwódce każdego ziarenka tworzy się amorficzna, doskonale przewodząca jony litu i elektrony powłoczka. To jest jakby pas transmisyjny, dostarczający jony litu i elektrony do wnętrza tego ziarna, gdzie zjawisko zachodzi objętościowo.

Czyli można w ten sposób tworzyć większe struktury...


Mamy taki nanokompozyt, który jest bardzo efektywny jako materiał katodowy, wydatnie zwiększa nam gęstość prądu, czerpanego z ogniwa. Głównym mankamentem ogniwa litowego na bazie fosfooliwinu jest właśnie niska gęstość prądu z uwagi na niskie przewodnictwo jonowo-elektronowe. Jest to praktycznie izolator. Jego przewodnictwo w temperaturze pracy jest kilka rzędów wielkości mniejsze, niż tego na bazie tlenku litowo-kobaltowego. Problem teraz w tym, by z tym naszym materiałem - a mamy już zgłoszenie patentowe - przejść do większej skali. Tu mamy pewne nadzieje. Powstaje teraz w AGH centrum energetyczne, mamy nadzieję, że utworzymy tam park ogniw litowych w Krakowie, że będą stworzone możliwości, by przejść z tym materiałem od gramów do kilogramów. Na razie udaje nam  się wytworzyć kilka gramów, chcemy przejść do kilograma, czy dwóch. Myślimy tez o stworzeniu linii montażowych ogniw cylindrycznych, które będzie można testować pod kątem bezpieczeństwa pracy.