Znak Politechniki Warszawskiej

Przyszłość przemysłu bateryjnego

Naukowcy z zespołu joniki polimerów (PIRG) prof. Władysława Wieczorka

Nad projektami pracują przede wszystkim naukowcy z zespołu joniki polimerów (PIRG) prof. Władysława Wieczorka, fot. archiwum

Nagrodę Nobla z chemii w 2019 roku przyznano za stworzenie i rozwój baterii litowo-jonowych. To zwiększyło zainteresowanie tym tematem oraz wpłynęło na przyspieszenie badań, także na Politechnice Warszawskiej. W jakie projekty bateryjne zaangażowani są specjaliści z naszego Wydziału Chemicznego?

Rozwiązania dla budynków i pojazdów

Opracowanie modułów izolująco-akumulujących energię (głównie poprzez ogniwa fotowoltaiczne) jako elewacji do budynków – to główny cel projektu POWERSKIN+, finansowanego ze środków Unii Europejskiej z programu Horyzont 2020. Projekt skupia się na zaprojektowaniu zeroemisyjnych budynków poprzez zastosowanie wydajnego systemu magazynowania i zarządzania energią. System magazynowania i dystrybucji energii oparty będzie na ogniwach Li-ion po zakończeniu ich pracy w samochodach elektrycznych (tzw. second life).

Naukowcy z Wydziału Chemicznego PW są odpowiedzialni za dobór ogniw z przemysłu samochodów elektrycznych, a następnie skonstruowanie baterii z elementem zarządzającym magazynowaniem i dystrybucją energii elektrycznej na poziomie budynku.

Projekt zakłada realizację pilotażowych instalacji ulokowanych w trzech różnych lokalizacjach na terenie Unii Europejskiej.

– Dzięki projektowi wydłużony zostanie cykl życia ogniw Li-ion na rynku przy równoczesnych oszczędnościach wynikających z efektywnego wykorzystania energii odnawialnej – mówi kierownik projektu z ramienia PW, dr inż. Michał Piszcz, pracownik Wydziału Chemicznego w Katedrze Chemii Nieorganicznej.

Konsorcjum projektu skupia 14 partnerów. W projekcie biorą również udział zespoły z Wydziału Elektrycznego oraz Wydziału Fizyki, kierowane – odpowiednio – przez dr. inż. Mariusza Kłosa oraz dr. hab. inż. Michała Marzantowicza.

W ramach innego projektu z Horyzontu 2020 – ASTRABAT – mają powstać baterie litowo-jonowe III generacji, czyli z użyciem tylko stałych komponentów, przede wszystkim dla motoryzacji. Technologia ma być w pełni europejska – z użyciem całego łańcucha produkcji na terenie naszego kontynentu, a jednocześnie masowa. To bardzo ważne, bo zapotrzebowanie na magazynowanie energii szybko rośnie.

Projekt zakłada opracowanie nowej, w pełni stałej architektury baterii, kompatybilnej z najnowszej generacji elektrodami o wysokich pojemnościach. Po raz pierwszy na świecie w produkcji masowej mają znaleźć się baterie ze stałymi elektrolitami działającymi w temperaturze pokojowej. Pozwoli to na zwiększenie bezpieczeństwa baterii dzięki uniknięciu palnych lub mogących wyciec komponentów.

Zespół z Wydziału Chemicznego zajmuje się opracowaniem i produkcją kluczowych komponentów do nowej generacji elektrolitu stałego. Składają się na nie opatentowane na PW sole litowe, w tym pierwsza w historii użyta w ogniwie sól bezfluorowa oraz plastyfikatory na bazie cieczy jonowych.

– Projekt ASTRABAT przyczyni się do sprawienia, że samochody elektryczne staną się w pełni konkurencyjne cenowo dla samochodów na benzynę lub olej napędowy – mówi dr hab. inż. Leszek Niedzicki kierujący projektem na Wydziale Chemicznym PW. – Oprócz oczywistych zalet braku spalin, baterie opracowane w ramach projektu pozwolą nam także na dalsze i bezpieczniejsze poruszanie się samochodami elektrycznymi w stosunku do obecnie dostępnych na rynku.

W prace nad projektem zaangażowanych jest 7 naukowców z Wydziału Chemicznego z grupy prof. dr. hab. inż. Władysława Wieczorka.

Siła Europy

Projekt BIG-MAP, podobnie jak ASTRABAT, również ma wzmocnić pozycję Europy na rynku baterii.

Celem konsorcjum (tworzonego przez aż 34 partnerów) jest opracowanie założeń do produkcji baterii litowo-jonowych uniezależniających Europę od produkcji w krajach azjatyckich. W inicjatywie nasi specjaliści odpowiadają za syntezę i testy nowych generacji elektrolitów do baterii litowo-jonowych i nowych generacji baterii tzw. post-lithium-ion batteries.

Efektem końcowym działań ma być opracowanie technologii wytwarzania komponentów elektrolitów w skali półtechnicznej. Opracowywane technologie są oparte o rozwiązania technologiczne powstałe na Wydziale Chemicznym PW.

 – Projekt BIG-MAP oprócz wartości przemysłowej przyczyni się do poznania tak zwanego „genomu” baterii, czyli składu chemicznego związków powstających we wnętrzu baterii w czasie jej działania – mówi o kierowanym przez siebie projekcie Dziekan Wydziału Chemicznego PW, prof. dr hab. inż. Władysław Wieczorek. – Pozwoli to projektować baterie o lepszych parametrach i ma usprawnić oraz przyspieszyć optymalizację przyszłych baterii.

W projekcie biorą udział zespół Dziekana Wieczorka a także zespół prof. dr. hab. inż. Stanisława Ostrowskiego. W sumie w czasie 3 lat realizacji projektu będzie pracowało przy nim ok. 10 osób z Wydziału Chemicznego PW.

Celem inicjatywy Faraday Institute NEXGENNA jest z kolei zrewolucjonizowanie sodowych technologii akumulatorowych, aby były konkurencyjne cenowo z innymi metodami chemicznego magazynowania energii.

Dzięki multidyscyplinarnemu podejściu (obejmującemu zagadnienia od chemii materiałowej, przez powiększanie skali, do produkcji ogniw) mają powstać baterie sodowo-jonowe o wysokiej wydajności, niskich kosztach produkcji i długim cyklu życia. Ich dodatkowym atutem ma być bezpieczeństwo.

– Projekt NEXGENNA pozwoli na wprowadzenie na rynek w niedługim czasie baterii opartych na sodzie – metalu tańszym i powszechniej występującym niż lit – mówi prof. dr hab. inż. Marek Marcinek kierujący projektem na Wydziale Chemicznym PW. – Te przyszłościowe baterie dzięki rozwiązaniom opracowanym na Politechnice Warszawskiej będą także bezpieczniejsze dla środowiska i dla użytkowników.

W projekcie bierze udział trzech naukowców z Wydziału Chemicznego.

Równie ambitne plany przyświecają projektowi BATTERY 2030+. Jednym z jego celów jest opracowanie długoterminowej mapy drogowej badań nad bateriami w Europie. To oznacza przede wszystkim dużą zmianę sposobu, w jaki odkrywamy, rozwijamy i projektujemy ultrawydajne, trwałe, bezpieczne, zrównoważone i przystępne cenowo baterie do wykorzystania w rzeczywistych zastosowaniach.

Badania mają się opierać na podejściu neutralnym pod względem chemicznym – tak, by możliwa była realizacja strategicznego planu w dziedzinie technologii energetycznych (plan EPSTE) zaproponowanego przez Komisję Europejską. Istotne jest także skupienie się na użyciu surowców, które są dostępne w Europie, bez potrzeby ich importu.

Prestiż dla Politechniki i wsparcie studentów

Prof. Wieczorek podkreśla, jak dużą wartość mają wszystkie powyższe projekty dla gospodarki unijnej i polskiej. Zlokalizowanie całego ciągu produkcyjnego od surowców do gotowego wyrobu na terenie Europy, jak i stworzenie kompletnego europejskiego know-how pozwoli na energetyczne uniezależnienie się Unii Europejskiej oraz zmniejszenie kosztów produkcji i wpływu na środowisko. Stworzy też nowe liczne miejsca pracy.

– Dzięki badaniom prowadzonym na kierowanym przeze mnie Wydziale, Polska ma duży wkład w tworzenie tej ogromnej europejskiej branży przemysłowej – mówi prof. dr hab. inż. Władysław Wieczorek. – Oprócz tworzenia podstaw nowej gałęzi przemysłu produkcji nowoczesnych generacji baterii i ich komponentów kształcimy też kadry dla tego przemysłu. Studenci Wydziału Chemicznego PW mają stały kontakt z najnowocześniejszymi technologiami na świecie, ponieważ biorą udział w tych projektach, wykonując prace dyplomowe w grupach je realizujących. W czasie dyplomów korzystają z najnowocześniejszych urządzeń tej samej klasy, jakie mają firmy przemysłowe. Kończą więc Uczelnię z najbardziej aktualną wiedzą w branży i są gotowi do podjęcia pracy w przemyśle.