Ogniwo, popularnie zwane baterią, składa się z trzech elementów: materiału elektroujemnego, elektrododatniego i elektrolitu. Polscy badacze opracowali takie, które we wszystkich trzech elementach wykorzystuje zmodyfikowane lub całkowicie nowe materiały. Dlatego też nowe ogniwo różni się znacząco od obecnie dostępnych. Jak w każdej dziedzinie, tak i w tej trwa swoisty wyścig. Najogólniej rzecz ujmując, baterie mają być trwalsze, mniejsze, tańsze, bezpieczne i ekologiczne.

Na plan pierwszy wysuwa się właściwość najbardziej istotna z punktu widzenia zastosowania. W przypadku małych urządzeń, takich jak telefony komórkowe, baterie mają być coraz mniejsze i coraz lżejsze, nie tracąc nic ze swojej energii. Nieco inaczej wygląda sprawa w przypadku ogniw do zastosowań motoryzacyjnych. Tu względy bezpieczeństwa stają się najważniejsze. Natomiast koszty i trwałość stanowią dominujący aspekt w przypadku dużych, stacjonarnych magazynów energii, np. dla farm wiatrowych. Pozostaje jeszcze aspekt ekologiczny, który powinien być respektowany w każdym przypadku.

Bezpieczna i tania

Polskie rozwiązanie, aczkolwiek twórcom zależało głównie na bezpieczeństwie eksploatacji z uwagi na to, że myśleli raczej o zastosowaniach motoryzacyjnych, uwzględnia jednak więcej aspektów.

– Po pierwsze postanowiliśmy wykorzystać inne niż do tej pory stosowane materiały w każdym z trzech elementów ogniwa. Zredukowaliśmy znacznie ilość lotnych i palnych składników elektrolitu poprzez zamianę standardowego, ciekłego, palnego elektrolitu na elektrolit polimerowy. Te dwa zabiegi podniosły poziom bezpieczeństwa ogniwa. Dodatkowo wykorzystaliśmy materiały, które są w stanie gromadzić i oddawać ładunek w dosyć szybkim czasie, a to istotny aspekt w przypadku wykorzystania ogniwa w motoryzacji – wyjaśnia dr Bartosz Hamankiewicz z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. – Postawiliśmy na bezpieczeństwo eksploatacji, to był główny powód naszych działań. Energia właściwa ogniwa z litowo-manganowym (elektroda dodatnia) i litowo-tytanowym (elektroda ujemna) materiałami aktywnymi nie jest tak wysoka, jak w przypadku innych materiałów wykorzystywanych w ogniwach litowo-jonowych, ale umożliwia zachodzenie szybkich reakcji. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu specyficznego materiału elektrody ujemnej, bateria nie ulegnie tak gwałtownemu utlenieniu, które powoduje samozapłon, co zdarzało się np. w niektórych modelach baterii smartfonów. Ponadto mangan i tytan nie są toksyczne dla środowiska, odmiennie od kobaltu, składnika wielu ogniw.

Dzięki zastosowaniu nowych materiałów baterię można przechowywać i przewozić w stanie naładowanym, co pozwala obniżyć koszty magazynowania i transportu. Do tej pory nie było to możliwe ze względu na duże niebezpieczeństwo samozapłonu.

Ponadto, co także nie jest bez znaczenia, wykorzystane przez polskich uczonych materiały są jednymi z najtańszych, więc i stworzone z nich ogniowo powinno być konkurencyjne cenowo. Powinno, choć na obecnym etapie – prototypu w skali laboratoryjnej – trudno to ściśle oszacować. Na dodatek na rynku jest duże zapotrzebowanie na coraz bardziej wydajne, pojemne i tanie w produkcji baterie litowe, które można ponownie ładować.

Kilka kroków w tyle

Polskie rozwiązanie jest dziełem dużego zespołu. Grupa robocza pod kierunkiem prof. Andrzeja Czerwińskiego z Wydziału Chemii UW liczyła dwudziestu naukowców. Byli to badacze z Wydziału Chemii i Wydziału Fizyki UW, Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, którzy zajmowali się wytwarzaniem materiałów elektrodowych, Instytutu Materiałów Nieżelaznych, Instytutu Chemii Przemysłowej, w którym opracowano elektrolit, i z Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, w którym dokonano analizy strukturalnej wytwarzanych materiałów. Całość „złożył razem” dr Hamankiewicz. Wówczas jeszcze nie doktor, lecz doktorant, bowiem wartością dodaną, poza opracowaniem nowego ogniwa, były cztery doktoraty pracujących przy tym projekcie doktorantów. Doktorat Bartosza Hamankiewicza dotyczył właściwości elektrochemicznych materiału katodowego oraz konstrukcji ogniwa litowo-jonowego. Przeprowadzenie badań nad nowym ogniwem litowo-jonowym możliwe było dzięki pozyskaniu funduszy z NCBR w ramach 1. Programu Badań Stosowanych Projektu LION pt. „Badania i rozwój nowoczesnych technologii polimerowych baterii litowo-jonowych o podwyższonym bezpieczeństwie eksploatacji”.

Prototyp w skali laboratoryjnej jest gotowy. Są dwa zgłoszenia patentowe. Jedno dotyczy wytwarzania polimerowego elektrolitu, którego głównym twórcą jest Instytut Chemii Przemysłowej, drugie opisuje sposób wykonania oraz właściwości elektrochemiczne skonstruowanej baterii. By zrobić krok dalej w kierunku komercjalizacji, trzeba inwestora z niebagatelną kwotą rzędu 20 mln zł na laboratorium i dalsze prace, których efektem będzie duże, cylindryczne ogniwo litowo-jonowe. Takie, które można sprzedać jako gotowe rozwiązanie jakiemuś potentatowi na światowym rynku lub produkować w Polsce. Tu rodzą się kolejne dwa problemy. Budowa fabryki takich ogniw to miliardy, w Polsce raczej brak takich graczy. Na świecie są, ale jak twierdzi dr Hamankiewicz rynek ogniw jest niezwykle konserwatywny.

– Od momentu wprowadzenia nowych rozwiązań, nawet drobnych, upływa wiele czasu. W 2001 roku amerykański uczony John Goodenough opracował znakomity materiał katodowy do ogniwa i dopiero po dziesięciu latach firmy zdecydowały się go zastosować. W tym sensie jest to więc rynek konserwatywny, że producenci ogniw są oporni wobec nowości. Zmiany, które teraz są wprowadzane, można by zastosować już kilka lat temu.

Jednym słowem, w dziedzinie sprzętu dynamika jest ogromna, natomiast źródła jego zasilania pozostają kilka kroków w tyle. Zatem w kwestii opracowanego w Polsce nowego ogniwa o lepszych parametrach, bezpiecznego i ekologicznego, sytuacja jest na razie patowa.

By nie kończyć pesymistycznie, zgromadzenie tak dużego zespołu, co jest niewątpliwą zasługą prof. Czerwińskiego, sukces w postaci nowego ogniwa pokazują, że nauka Polska ma olbrzymi potencjał. Obecnie Uniwersytecki Ośrodek Transferu Technologii poszukuje inwestora branżowego wśród największych koncernów, głównie zagranicznych, więc kto wie… ?