Naukowcy z PW o współpracy z noblistą i znaczeniu jego badań

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.