Kamienie milowe w badaniach nad bateriami i energi�

Zmiany klimatyczne, wzrost CO2 z jednej strony oraz rosnąca populacja światowa przy coraz bardziej ograniczonych zasobach z drugiej, napędzają dyskusję na temat odejścia od węgla i zastąpienia paliw kopalnych. Powszechnie domagana transformacja energetyczna wywołuje wielkie oczekiwania i niesie ze sobą jeszcze większe wyzwania. Pakiety ochrony klimatu oraz różnorodne programy mające na celu obniżenie emisji CO2 są równie mocno postulowane, co opracowywane przez naukę, przemysł i politykę. Technologie przyszłości, takie jak alternatywne źródła energii i nowatorskie koncepcje magazynowania energii, a także niezbędne do tego nowe materiały, są warunkiem koniecznym i kluczowym dla skutecznej realizacji transformacji energetycznej. Duże oczekiwania wiążą się z badaniami nad akumulatorami, a elektromobilność jest wręcz uważana za nadzieję na przyszłość. Rozpoczęła się rywalizacja o czas i najlepsze koncepcje.

Technologie przyszłości

Obecnie i w najbliższej przyszłości litowo-jonowe akumulatory nadal są najwydajniejszym rozwiązaniem w mobilnym i stacjonarnym zasilaniu energią. To dzięki nim możliwa stała się elektromobilność i jej praktyczne zastosowanie. Wobec ograniczonych zasobów jednak konieczne są pilne poszukiwania alternatyw. Ponieważ rozwój wysokowydajnych systemów akumulatorowych okazuje się niezwykle skomplikowany, wymaga interdyscyplinarnych strategii badawczych i sieci współpracy nauki i przemysłu.

Akumulatory następnej generacji

Rozwój zrównoważonych i przyjaznych środowisku magazynów energii należy do największych wyzwań transformacji energetycznej. Dotychczas bardzo skutecznie stosowane kompaktowe akumulatory litowo-jonowe mają duży potencjał rynkowy ze względu na doskonałą gęstość energii i mocy, jednak ich produkcja jest ekstremalnie kosztowna i kontrowersyjna ze względu na zużycie energii oraz rosnące zapotrzebowanie na cenne i coraz bardziej ograniczone surowce, takie jak lit i kobalt. Dlatego coraz częściej pojawiają się żądania opracowania bardziej energooszczędnych, wydajniejszych, tańszych i bardziej przyjaznych środowisku alternatyw. Akumulatory na bazie jonów sodu mogą w przyszłości stanowić odpowiednie rozwiązanie.

Potrzeby badawcze są ogromne. „Ten kierunek badań właśnie przeżywa gwałtowny rozkwit. W Niemczech Niemiecka Fundacja Badawcza (DFG) uruchomiła w kwietniu program priorytetowy (12,6 mln EUR, na 6 lat), a UE utworzyła sieć szkoleniową (ITN, 4 mln EUR, na 4 lata) – oba programy mam przyjemność koordynować” – informuje profesor dr S. Ulrich Schubert z „Centrum Chemii Energii i Środowiska” (Center for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) Uniwersytetu Friedrich-Schiller w Jenie. „Zainteresowanie i inwestycje firmy Evonik Industries AG wyraźnie wskazują na potencjał gospodarczy. Wciąż istnieje też ogromne zainteresowanie ze strony Chin i Japonii.”

Również Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) wspiera projekt partnerski „Transition” na rzecz bardziej zrównoważonego magazynowania energii kwotą 1,15 miliona euro. W projekcie biorą udział Instytut Technologii Karlsruher (KIT), założony przez ten instytut Helmholtz-Institut Ulm (HIU), Centrum Badań nad Energią Słoneczną i Wodorem Badenii-Wirtembergii (ZSW) oraz ponownie Uniwersytet Friedrich-Schiller w Jenie (FSU). Celem jest opracowanie alternatywy dla tradycyjnych akumulatorów litowo-jonowych. W tym projekcie naukowcy badają odpowiednie materiały aktywne i elektrolity dla akumulatorów na bazie jonów sodu następnej generacji.

„Akumulatory oparte na polimerach, czyli takie, które wykorzystują polimery jako materiały aktywne do magazynowania energii elektrycznej, są od 2011 roku intensywnie badane w mojej grupie badawczej” – zauważa profesor Schubert. „Po raz pierwszy udało nam się zaprezentować cienkowarstwowy akumulator wyprodukowany metodą druku atramentowego. Opracowaliśmy też szereg nowych materiałów aktywnych, które opatentowaliśmy i opublikowaliśmy. Firma Evonik Industries AG właśnie komercjalizuje te nowe polimery jako drukowalne tusze (pod marką „TAeTTOOz”).”

Innowacyjne akumulatory mają być zrównoważone i przyjazne środowisku, tanie i jednocześnie wysokowydajne. Rozwój nowatorskich, bezmetalowych i drukowalnych magazynów energii opartych na polimerach otwiera perspektywiczne obszary zastosowań w opiece zdrowotnej, sensorystyce i Internecie Rzeczy. „Dotyczy to głównie drukowalnych cienkowarstwowych akumulatorów. Od aktywnych tagów RFIT po „plastry” do przekazywania funkcji zdrowotnych i inteligentnej odzieży” – dodaje profesor dr Ulrich Schubert.

Efektywność energetyczna i wysokie osiągi

Akumulatory muszą wykazywać funkcjonalność i wydajność nawet w najtrudniejszych warunkach. Jednocześnie muszą wykluczyć potencjał zagrożeń i ryzyko związane z niewłaściwym użytkowaniem i zniszczeniem na przestrzeni całego cyklu życia. Szczególnie w dyskusji na temat elektromobilności kluczowa jest długoterminowa gotowość do pracy ogniw akumulatorowych.

Nowatorskie akumulatory na bazie tworzyw sztucznych mają liczne przewagi nad ustalonymi akumulatorami litowo-jonowymi. Ich produkcja jest znacznie bardziej energooszczędna ze względu na użycie organicznych i polimerowych materiałów. Polimery jako materiały aktywne wymagają znacznie mniejszego śladu węglowego podczas produkcji. Ponadto są one ogólnie mniej toksyczne i łatwopalne. Te akumulatory można też produkować metodami druku (sitodruk, druk atramentowy, druk rolno-rolny).

Podobnie jest z ich zastosowaniem. Utylizacja i recykling są bardziej przyjazne środowisku i znacznie tańsze. Akumulatory z polimerami jako materiałami aktywnymi są też bardziej zrównoważone, ponieważ można z nich zrezygnować ze stosowania ciężkich metali. Prototyp akumulatora na bazie jonów sodu, taki jak z projektu Transition, składa się z anody z twardego węgla na bazie biomasy w połączeniu z wodnymi binderami i aluminium jako kolektorem prądowym oraz katody z tlenków metali przejściowych. Ulepszone relacje strukturalne i własnościowe stanowią podstawę do kontrolowanych reakcji elektrochemicznych.

Elektromobilność

Krótko- i średnioterminowo litowo-jonowe akumulatory są podstawowym napędem każdego środka elektromobilności ze względu na ich wydajność i gęstość energii. Zapewniają czas pracy i zasięg w zależności od warunków zewnętrznych, takich jak obszary zastosowań, temperatury i styl jazdy. W najbliższym czasie akumulatory na bazie jonów sodu nie zastąpią litowo-jonowych, lecz według ekspertów będą je jedynie uzupełniać. W dziedzinie elektromobilności rozważa się także potencjał technologii wodnej, przy zachowaniu różnych aspektów bezpieczeństwa.

Analiza i charakteryzacja

Każdy wynik badań i rozwoju jest tak dobry, jak jego procesowa analiza. Dlatego nowoczesne metody analityczne do określania składników elektrolitów oraz identyfikacji śladowych substancji, surowców i komponentów materiałowych w badaniach nad akumulatorami są dziś nieodzowne. Najnowsze technologie urządzeń do takich pomiarów i testów materiałowych są szeroko prezentowane na analytica w Monachium. Eksperci na światowym targu analytica prezentują najnowsze technologie i metody z zakresu chromatografii, spektrometrii, mikroskopii, analizy powierzchniowej i jonowej. W laboratorium na żywo z analizą tworzyw sztucznych/polimerów można na żywo eksperymentować. Tam zainteresowani mają możliwość doświadczyć innowacji z dziedziny analizy tworzyw i materiałów w rzeczywistym laboratorium.

W dniach od 30 marca do 3 kwietnia branża zapozna się z najważniejszymi nowościami na analytica w Monachium. Wiedza ekspercka i innowacyjne technologie analityczne stanowią ogromną wartość dodaną dla badań nad nowymi systemami akumulatorowymi. W Monachium kluczowe technologie umożliwiają spojrzenie w przyszłość.