Najpierw szybki test na powszechność baterii litowo-jonowych w naszym życiu: wielu z nas ma ich więcej niż garnków czy butów, a niektórzy pewnie niewiele mniej niż ciuchów. Wystarczy policzyć każdą komórkę, laptopa, słuchawki bezprzewodowe, przenośny głośnik, tablet, smartwatcha, powerbank, elektryczne zabawki, a może też drona i coraz częściej hulajnogę lub elektryczny rower. Bez wielkiego wysiłku w przeciętnym gospodarstwie domowym ich liczba będzie większa niż 10.

To w ogóle nie dziwi mgr Dariusza Lewandowskiego. Jak zapewnia, w jego instytucie prace nad bateriami litowo-jonowymi prowadzone są od półtorej dekady. Już wtedy naukowcy z Instytutu Metali Nieżelaznych (należącego do Sieci Badawczej Łukasiewicz, w skrócie Ł-IMN) podejrzewali, że staną się one powszechne. – To jednak oznaczało problem. Z góry bowiem było wiadomo, że w którymś momencie trafią na śmietnik, stając się odpadem – mówi naukowiec.

Kiedy więc do instytutu zgłosiła się firma z Gorzowa Wielkopolskiego z zapotrzebowaniem na linię do recyklingu ogniw, inżynierowie z Gliwic wiedzieli, co robić. Najpierw: udzielić długiego wykładu z bhp.

Jarać się jak ogniwo

To nie do końca żart, bo baterie tego typu potrafią się zapalić – o czym może zaświadczyć chociażby Samsung, który na własnej skórze doświadczył niedawno słabości tej technologii. Problem był na tyle poważny, że linie lotnicze przez pewien czas prosiły pasażerów – właścicieli niektórych modeli wyprodukowanych przez koreańskiego giganta – o to, aby nie kusili losu i wyłączyli całkiem swoje urządzenia na czas lotu. Ale problem dotyczył nie tylko Samsunga. Ten tekst powstał na laptopie Lenovo – ten model niedawno kwalifikował się do programu darmowej wymiany baterii; wadliwe egzemplarze nagrzewały się za mocno i miały tendencję do spontanicznego stawania w płomieniach.

– To jedna z wad tej technologii, praktycznie nie do przeskoczenia, bo związana z budową ogniwa – mówi mgr Lewandowski. – W przypadku modeli wykorzystujących kobalt niebezpieczne mogą być nawet temperatury rzędu 50–60 stopni Celsjusza. Wówczas może dojść do spontanicznego zapłonu, a w skrajnych przypadkach wybuchu. Dzieje się tak na skutek ucieczki termicznej, czyli zjawiska, w wyniku którego w ogniwie dochodzi do gwałtownej produkcji ciepła. Elementami ogniwa stwarzającymi szczególne zagrożenie samozapłonu są łatwopalny elektrolit, tlen pochodzący z katody i grafit anody – tłumaczy naukowiec.

Dlatego pierwszym zadaniem, przed którym stają naukowcy projektujący linię do recyklingu baterii, jest właśnie zadbanie o bezpieczeństwo całego procesu – profesjonalnie nazywa się to pasywacją. Można to zrobić na kilka sposobów; inżynierowie z Gliwic wybrali mrożenie. Chodzi o to, aby zamrozić znajdujący się wewnątrz baterii elektrolit. Najprościej rzecz biorąc, jest to płyn, przez który jony litu przemieszczają się z jednej diody na drugą (z ujemnej na dodatnią kiedy pobieramy energię, na odwrót kiedy ładujemy ogniwo).

Po zamrożeniu baterii zaczyna się kilkuetapowa obróbka mechaniczna. Najpierw urządzenie pozbawiane jest plastikowej obudowy (jeśli takową posiada). Potem nacinana jest metalowa, właściwa obudowa kryjąca ogniwa; chodzi o to, aby ją lekko uchylić, tak jakby nie do końca otwierało się puszkę. Następnie bateria trafia do pieca, gdzie pod wpływem temperatury odparowuje elektrolit (dzięki wykonanej etap wcześniej dziurze). Teraz wreszcie można poddać baterie szatkowaniu na fragmenty.

W efekcie powstają: tworzywa sztuczne, niklowana stal, masa elektrodowa zawierająca m.in. takie pierwiastki jak kobalt, nikiel czy mangan oraz lit, a także mieszanina folii miedziano-aluminiowej.

L.J. Monarchia

Jak zapewnia mgr Lewandowski, przez wzgląd na modułowość całej linii możliwe jest dołączenie do niej kolejnych urządzeń realizujących kolejne etapy recyklingu. Bo chociaż rozdzielone elementy baterii już stanowią produkt handlowy, to do ponownego zastosowania wymaga on dalszej obróbki, czyli wydzielenia poszczególnych pierwiastków, w tym najcenniejszych – kobaltu czy niklu. Można to osiągnąć podczas obróbki chemicznej lub za pomocą wysokich temperatur.

– Cały czas trwają prace nad optymalizacją procesów, które są energochłonne, a przez to finalny produkt jest dość drogi. Dlatego najbardziej obiecującymi rozwiązaniami wydają się takie technologie, które zapewniają kobalt nie w czystej postaci, ale jako związek chemiczny, np. jako siarczan – tłumaczy naukowiec. Innym kierunkiem prac badawczo-rozwojowych jest uwzględnienie zmian w wymiarach baterii do recyklingu związanych z upowszechnieniem się samochodów (także tych dużych i bardzo dużych) elektrycznych.

Rząd chciałby, żeby Polska stała się mocarstwem, jeśli idzie o elektromobilność, a konkretnie jeśli idzie o technologie bateryjne. Warszawa przystąpiła do firmowanego przez Komisję Europejską projektu European Battery Alliance, który ma na celu nadrobienie opóźnień Starego Kontynentu w produkcji ogniw. Już teraz nad Wisłą powstają lub będą powstawać praktycznie wszystkie komponenty niezbędne do budowy baterii, a Polska jest liderem w ich eksporcie. Recykling stanowiłby więc cenny, dodatkowy element tego ekosystemu. 

Eureka! DGP

Trwa siódma edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do końca maja w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi na początku 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