Przejdź do treści

Opublikowano: 28.11.2022 10:14

Naukowcy z PW o współpracy z noblistą i znaczeniu jego badań

Podczas wizyty na PW prof. M. Stanley Whittingham wygłosił otwarty wykład, który przyciągnął tłumy słuchaczy

Prof. M. Stanley Whittingham został doctorem honoris causa Politechniki Warszawskiej. Ten wybitny chemik, laureat Nagrody Nobla z 2019 roku, zdobył uznanie dzięki pracom nad bateriami litowo-jonowymi. To obszar od lat rozwijany także przez naukowców z Politechniki Warszawskiej. Dlaczego to tak ważny temat? Co warto o nim wiedzieć? I jak to jest znać noblistę?

Są w laptopach, telefonach komórkowych, aparatach cyfrowych, dronach, elektronarzędziach, a coraz częściej także w samochodach. Baterie litowo-jonowe zdominowały świat. Ale wydarzyło się to dopiero 30 lat temu.

Zalety baterii litowo-jonowych

– W stosunku do poprzednich technologii (akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe, niklowo-wodorkowe) akumulatory litowo-jonowe mają znacznie większą gęstość energii, a więc są lżejsze i mniejsze – wyjaśnia prof. Leszek Niedzicki z Wydziału Chemicznego PW. – Przy tej samej pojemności baterie litowo-jonowe ważą od 4 do 6 razy mniej niż kwasowo-ołowiowe. To umożliwiło tak szybki rozwój elektroniki przenośnej, a także powstanie samochodów elektrycznych o dużym zasięgu.

Dodatkowo baterie litowo-jonowe bardzo wolno się rozładowują w czasie przechowywania – urządzenie można uruchomić nawet po miesiącach nieużywania. Stare typy baterii trzeba było od nowa ładować już po kilku tygodniach od odstawienia.

– Baterie litowo-jonowe nie mają także efektu pamięci, czyli spadku pojemności, gdy nie do końca rozładujemy baterie lub nie w pełni je naładujemy – tłumaczy prof. Niedzicki. – Technologia ta jest również dużo bardziej elastyczna, jeśli chodzi o dostosowanie parametrów do potrzeb danego zastosowania. To ostatnie ma ogromne znaczenie, zwłaszcza dla inżynierów projektujących nowe urządzenia zasilane bateriami.

Od starszych technologii baterie litowo-jonowe różnią się zarówno użytymi materiałami do budowy elektrod i elektrolitu (komponentów baterii), jak i sposobem działania. Jako anodę zamiast ciężkich i toksycznych ołowiu lub kadmu stosuje się lekki i bezpieczny grafit. W poprzednich technologiach dochodziło do reakcji pomiędzy materiałem elektrodowym i elektrolitem, co powodowało większe straty energii (zmniejszało wydajność baterii).

– W bateriach litowo-jonowych mamy ruch kationów litu pomiędzy anodą a katodą i wbudowywanie się litu w ich struktury bez zmiany formy lub reakcji zmieniających skład materiału – opowiada prof. Niedzicki. – Powoduje to wielokrotnie mniejsze straty energii i w związku z tym lepsze wykorzystanie energii poświęconej na naładowanie baterii.

To ma znaczenie zwłaszcza przy ładowaniu samochodu elektrycznego czy przydomowego magazynu energii, np. bufora do fotowoltaiki.

– Przy użyciu baterii litowo-jonowych możemy wykorzystać ponad 90% energii, którą poświęcono na naładowanie baterii zamiast ok. 60% przy kwasowo-ołowiowych czy 70% przy niklowo-kadmowych – wylicza prof. Niedzicki. – W przypadku samochodu elektrycznego płacimy odpowiednio ok. półtora raza mniej za kilometr, niż gdybyśmy poruszali się samochodem zasilanym wyłącznie akumulatorem kwasowo-ołowiowym. Jednocześnie zasięg samochodu zasilanego bateriami litowo-jonowymi jest 4-6 razy większy.

Bateryjne zaangażowanie Politechniki

Jednym z ojców baterii litowo-jonowej jest prof. M. Stanley Whittingham, od 50 lat zajmujący się tą tematyką.

– Profesora Whittinghama spotkałem po raz pierwszy w 1987 roku, kiedy jako młody doktorant brałem udział w Konferencji Joniki Ciała Stałego odbywającej się w Garmisch-Partenkirchen – wspomina prof. Władysław Wieczorek, Dziekan Wydziału Chemicznego PW. – Na tej konferencji powstało międzynarodowe Towarzystwo Joniki Ciała Stałego, a profesor Whittingham został jego pierwszym przewodniczącym. W kolejnych latach brałem udział w szkołach i sympozjach dla młodych naukowców, w których pan profesor pełnił rolę wykładowcy.

Prof. Wieczorek od lat jest szefem zespołu zajmującego się bateriami na naszym Wydziale Chemicznym. Jak przyznaje, taka ścieżka naukowa jest trochę dziełem przypadku, a trochę świadomym wyborem.

– Wybierając temat pracy dyplomowej, zdecydowałem się na zagadnienia związane ze stałymi elektrolitami i prace w zespole prof. Janusza Płocharskiego (wtedy doktora) – opowiada prof. Wieczorek. – Pan Profesor pozwolił mi na wybór obiektu badań, dając do przeczytania artykuł przeglądowy prof. Rogera Linforda (również znakomitość w dziedzinie baterii). Jednym z przedstawionych tam obiektów były elektrolity polimerowe, działające w temperaturze otoczenia, uważane już wtedy za potencjalne zamienniki elektrolitów ciekłych w bateriach. Wybrałem ten zakres tematyczny i tak zaczęła się moja trwająca już 38 lat przygoda z elektrolitami różnego typu, stosowanymi w bateriach, ogniwach paliwowych czy układach elektrochromowych.

Staż, który przyniósł efekty

W zespole prof. Wieczorka pracuje prof. Marek Marcinek. On także poznał prof. Whittinghama. Było to w 2004 roku podczas stażu postdoktorskiego w Stanach Zjednoczonych.

– Pracowałem w Lawrence Berkeley National Lab, który jako całość był zaangażowany w program BATT, jednoczący wszystkie national labs, także laboratorium prof. Whittinghama – opowiada prof. Marcinek. – Współpracowaliśmy w obszarze diagnostyki materiałów katodowych. Ja zajmowałem się spektroskopią i nawet miałem przyjemność prof. Whittingahama gościć parę razy w laboratorium. Nikt wtedy nie wiedział, że profesor dostanie Nagrodę Nobla.

Efektem stażu prof. Marcinka było wdrożenie na naszej Politechnice technologii pokrywania materiałów katodowych i produkcji anod przy pomocy plazmy mikrofalowej. To było uzupełnienie wiedzy, która już na PW była. W zespole prof. Wieczorka byli i są do dzisiaj specjaliści usprawniający prace elektrolitów. Do opracowania baterii potrzeba było jeszcze jej dwóch pozostałych głównych składników – katody i anody.

– Udało mi się przeszczepić na grunt polski to, czego nauczyłem się w Stanach Zjednoczonych – podkreśla prof. Marcinek. – Dzięki temu mogliśmy zacząć pracę nad całymi ogniwami.