Proszę nie mówić bateria, tylko ogniwo – zaznaczają już na początku krakowscy badacze. – W języku polskim przyjęło się określać mianem baterii każdy magazyn energii elektrycznej, co z naukowego punktu widzenia nie jest prawdą – tłumaczą. Dobrze więc.

Członkowie Kabaretu Tey nie mogli wiedzieć o istnieniu ogniw litowo-jonowych, bo na początku lat 80. stanowiły one daleki od komercjalizacji przedmiot badań. Do sprzedaży wprowadziła je japońska firma Sony dekadę po benefisie „Z tyłu sklepu”. Od tamtej pory technologia ta jest nieustannie udoskonalana, chociaż wciąż ma wiele słabości – o czym wie każdy, komu w środku dnia padł ładowany rankiem telefon.

Dlatego naukowcy pracują głównie nad zwiększeniem pojemności ogniw. To oznacza poszukiwanie nowych materiałów do produkcji elektrod, bo – jak tłumaczy dr hab. Marcin Molenda z Uniwersytetu Jagiellońskiego – to właśnie surowce, z których są one wykonane, w największym stopniu determinują własności ogniwa. – Obecnie najczęściej stosowanymi do tego celu materiałami są tlenek litowo-kobaltowy oraz grafit, czyli forma węgla znana z ołówków. Z tlenku wykonuje się katody – to jeden typ elektrody, jaka znajduje się w każdym ogniwie. Grafit zaś jest surowcem do produkcji anod, drugiego typu elektrod. I to właśnie z poszukiwaniami nowych materiałów do wytwarzania anod wiąże się największe nadzieje na polepszenie parametrów ogniw. Na tym też polega nasz wynalazek, tyle że postanowiliśmy wykorzystać do tego powszechnie dostępną skrobię – mówi Molenda.

Elektrody są tak ważne dla parametrów ogniw przez wzgląd na sam sposób ich działania. Kiedy umieszczamy ogniwo w urządzeniu, pozytywnie naładowane jony są przyciągane przez katodę, która staje się także magnesem dla ujemnie naładowanych elektronów, które płyną w jej kierunku z anody. Trik polega na tym, że o ile jony pokonują drogę przez elektrolit znajdujący się pomiędzy elektrodami, o tyle elektrony są zmuszone korzystać z okrężnej drogi – przez całe urządzenie. Wykorzystujemy wtedy ich energię do wykonywania pracy, np. obliczeń wykonywanych przez procesor w telefonie komórkowym. Można to porównać do koła młyńskiego, tyle że zamiast wody siłę napędową zapewniają elektrony.

Teraz waga elektrod jest bardziej widoczna. Ich zadanie polega na wbudowywaniu w swoją strukturę jonów litu. W tym sensie działają jak wielki garaż, w którym jony z łatwością mogą zaparkować, a następnie bezpiecznie z niego wyjechać. Im więcej się ich tam zmieści, tym więcej energii będziemy mogli upakować w ogniwie (a laptop zamiast 5, będzie działał bez ładowania 8 godzin). To nie jest jednak takie proste, bo – jak się przekonali w ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy – w przypadku ogniw jak nigdzie sprawdza się zasada „coś za coś”. Materiały, które niosły nadzieję na znacznie większe pojemności, okazywały się mieć inne, dyskwalifikujące je wady. – Generalnie zasada jest taka, że im silniejsze są wiązania elektronów w materiale, tym lepsze zdolności ogniwa do magazynowania energii. Ale wtedy transport ładunków jest trudniejszy, na czym cierpi moc ogniwa – tłumaczy dr inż. Michał Świętosławski.

Stąd potrzeba poszukiwania coraz to nowych materiałów, u których najważniejsze parametry będą odpowiednio wyważone, ale końcowy efekt będzie lepszy niż w przypadku obecnie stosowanych surowców. Alternatywą dla stosowanego obecnie grafitu czy szerzej – węgli pochodzenia naturalnego – jest skrobia. Jako cukier złożony zawiera dużo węgla. Co więcej, występuje pod postacią mieszaniny liniowych oraz rozgałęzionych łańcuchów, co daje możliwość manipulacji strukturą końcowego produktu (jak uczulają jednak naukowcy, skrobia skrobi nierówna, więc z ich punktu widzenia nie każdy rodzaj tego cukru jest optymalny).

– Stąd wziął się pomysł na karbożel, który naszym zdaniem ma pożądaną porowatą strukturę. Pierwsze kroki do jego otrzymania są takie, jak w przypadku krochmalu, czyli mieszamy skrobię z wodą, jednocześnie podgrzewając, aż powstanie kleik, który nazywamy hydrożelem. W hydrożelu skrobia tworzy struktury i o ich zachowanie teraz nam chodzi. Teraz jeszcze musimy pozbyć się z niej wody – jej odparowanie spowodowałoby zapadnięcie struktury oraz kosztowałoby nas później dodatkową energię, więc wywabiamy ją z hydrożelu alkoholem – w ten sposób powstaje alkożel. Ten z kolei trafia do pieca, gdzie będzie przebywał w atmosferze beztlenowej w wysokiej temperaturze, et voila! – powstaje karbożel, materiał lżejszy od pianki poliuretanowej – mówi dr Monika Bakierska, dodając, że sterując temperaturą, naukowcy mogą również wpływać na kształt końcowego produktu.

Ostateczny test nowy materiał zdał śpiewająco. Zbudowana z niego elektroda charakteryzowała się lepszymi parametrami niż wykonana z grafitu. Sukces był tym większy, że karbożel – chociaż charakteryzuje się dużą powierzchnią właściwą – a więc ilością miejsc, w których mogą zaparkować jony litu – nie ma zbyt wielu defektów, czyli niepotrzebnych dodatków przyłączonych do węglowych łańcuchów tu i tam, a które obniżają parametry anody.

Magazyn DGP

Magazyn DGP

źródło: Dziennik Gazeta Prawna

Technologia na razie znajduje się na etapie laboratoryjnym, ale jeśli przy produkcji na większą skalę uda się utrzymać dobre parametry, to patrzymy na wynalazek, który za kilka lat może trafić pod strzechy. Skrobia jest tania i łatwo ją pozyskać, a technika jej obróbki opracowana przez krakowskich naukowców jest nieskomplikowana i nie wymaga wysokich nakładów. Zresztą dr Molenda nie czeka, aż biznes zainteresuje się efektem jego prac nad technologiami ogniw; już teraz wręcza wizytówki, na których jego nazwisko poprzedzone jest magicznym skrótem „CEO”. Kierowana przez niego spółka MarCelLi Adv Tech Sp. z o.o. chce komercjalizować inny materiał – tym razem przeznaczony dla katod.

Oprócz wspomnianej już trójki naukowców nad wynalazkiem pracowała również dr Agnieszka Chojnacka z UJ.

Eureka! DGP

Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma – oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.