Konstrukcja ładowalnego kwasowego ogniwa cynkowo-manganowego, opracowanie akumulatora ołowiowo-kwasowego na nowym typie nośnika, innowacje w zakresie nowych materiałów i konstrukcji ogniw litowo-jonowych, udowodnienie istnienia podpowierzchniowego wodoru w palladzie i jego stopach. Pracownia Elektrochemicznych Źródeł Energii UW od lat prowadzi skuteczne badania podstawowe i aplikacyjne. Jej dwa obecne przedsięwzięcia znajdują się na platformie Innovation Radar Komisji Europejskiej.

Naukowcy z Pracowni Elektrochemicznych Źródeł Energii Uniwersytetu Warszawskiego od lat prowadzą badania związane z elektrycznymi własnościami związków chemicznych. Ich praca obejmuje również działalność z zakresu radiochemii.

Wśród licznych osiągnięć kilkudziesięcioosobowego zespołu pod kierownictwem prof. Andrzeja Czerwińskiego znajduje się m.in. opracowanie metody LVE (Limited Volume Electrode) stosowanej do badań podstawowych sorpcji/desorpcji wodoru w materiach wodorochłonnych, skonstruowanie nowego typu wysokoenergetycznego akumulatora ołowiowo-kwasowego czy wdrożenie należącej do najwydajniejszych na świecie technologii recyklingu baterii cynkowo-węglowych i alkalicznych.

Dorobek Pracowni rozpoznawalny jest nie tylko w świecie nauki, ale również przemysłu. Niemal dwadzieścia lat temu podjęta została m.in. współpraca z firmą VARTA Microbattery. Po pierwszych sukcesach związanych z produkcją baterii wodorkowych przyszła pora na kolejne.

Energooszczędne ogniwa

Jednym z obecnych celów naukowców z Pracowni jest poszukiwanie jak najtańszych i najbardziej ekologicznych metod magazynowania energii, co jest zgodne z europejską polityką klimatyczną. W projekcie SINTBAT badacze z UW wspólnie z partnerami z ośmiu innych instytucji z Niemiec, Francji, Wielkiej Brytanii, Austrii i Szwecji pracują nad stworzeniem energooszczędnego systemu opartego na ogniwach litowo-jonowych zawierających krzem jako jedną z substancji aktywnych, która pozwalała zwiększać energię właściwą produktu.

Prace nad projektem trwały bardzo długo, musieliśmy dokonać skrupulatnej analizy wielu elementów, co później spotkało się z dużą aprobatą unijnych instytucji finansujących nasze badania w ramach Programu „Horyzont 2020”. W kolejnych latach byliśmy wzorcem dla innych podobnych konsorcjów – wspomina prof. Andrzej Czerwiński, kierownik projektu SINTBAT z ramienia UW.

Prace naukowców UW w ramach projektu polegały w dużej mierze na prowadzeniu badań podstawowych.

Naszym głównym zadaniem było wyznaczanie podstawowych parametrów procesów elektrochemicznych zachodzących w baterii z wykorzystaniem nowych materiałów. W uproszczeniu znaczy to tyle, że we współpracy z Uniwersytetem Warwick, Uniwersytetem w Uppsali, Francuską Komisją Energii Atomowej w Grenoble i Centrum Materiałowym w Leoben mieliśmy opracować teoretyczny model przewidujący zachowanie baterii. Można było np. ustalić, po ilu cyklach skończy ona swój żywot, jakie będzie jej napięcie pracy itp. – tłumaczy dr Bartosz Hamankiewicz z Pracowni Elektrochemicznych Źródeł Energii UW, który uczestniczył w realizacji projektu.

Aspekty pracy ogniw, na których skupili się badacze w projekcie SINTBAT, są istotne nie tylko z uwagi na swój naukowy charakter, ale również z perspektywy użytkowników. Dzięki analizom możliwa jest np. predykcja czasu wymiany baterii.

Wypracowany przez naukowców model został doceniony przez Komisję Europejską, która umieściła go (Development of a multiscale aging model of Si containing anodes) na platformie Innovation Radar.

Miejsce dla krzemu

Na platformie znajduje się też inne przedsięwzięcie realizowane przez fizykochemików z UW i partnerów: 3D-microstructure analysis algorithm for improved design guidelines for Si-based Li-ion batteries. To efekt prac w ramach projektu stanowiącego kontynuację SINTBAT-a – ECO²LIP (skupiającego się dodatkowo na aspekcie recyklingu wykorzystywanych materiałów).

W obu projektach koncentrujemy się na tym, by wykorzystywać krzem w ogniwach, który zwiększałby ich pojemność i energię. Są z tą substancją jednak problemy uniemożliwiające jej powszechne zastosowanie. Krzem podczas cyklicznej pracy w ogniwie po prostu puchnie, niszcząc całą baterię. Nasz pomysł sprowadzał się do tego, by udostępnić w strukturze kolektora prądowego ziarnom krzemu dodatkową przestrzeń do ekspansji, która następowałaby bez niszczenia struktury całej elektrody. W ten sposób powstał kolektor trójwymiarowy w formie porowatej gąbki, z porami o odpowiedniej objętości, w które wprowadzane są ziarna krzemu. Taki układ może być odzwierciedlony przez ziarnko grochu (krzem) wprowadzone do nadmuchanego balonu (por trójwymiarowego kolektora) – w systemie takim nawet kilkukrotny wzrost objętości krzemu nie spowoduje zniszczenia integralności elektrody jako całości – mówi dr Hamankiewicz.

W ten sposób zmodyfikowane ogniwa litowo-jonowe mogą mieć zastosowanie właściwie w każdej dziedzinie życia, od telefonów komórkowych po farmy wiatrowe czy fotowoltaikę.

Jedyna taka pracownia

Takim spektrum baterii, jakim zajmuje się Pracownia Elektrochemicznych Źródeł Energii UW, nie analizuje jednocześnie żadna inna jednostka w Polsce.

Opracowujemy i sami konstruujemy różnego rodzaju ogniwa, m.in. akumulatory kwasowo-ołowiowe, baterie wodorkowe, litowo-jonowe czy magnezowe. Pracownia Elektrochemicznych Źródeł Energii (PEZE) istnieje od 1996 roku i jest kontynuacją prac elektrochemicznych prowadzonych wcześniej przez Profesora Zbigniewa Koczorowskiego. Dysponujemy jednym z lepszych w kraju wyposażeniem. Od 1996 roku prace badawcze prowadzone w PEZE są bardziej ukierunkowane na materiały elektrodowe, ogniwa oraz zachodzące w nich procesy elektrochemiczne – mówi prof. Andrzej Czerwiński.

W ciągu niemal trzydziestu lat funkcjonowania Pracowni zakupiono specjalistyczną, niejednokrotnie unikatową w skali kraju aparaturę do badań elektrochemicznych materiałów stosowanych w chemicznych źródłach prądu oraz testowania gotowych baterii i akumulatorów. Znajdują się tu m.in. skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) z przystawką do analizy rentgenowskiej (EDAX), elektrochemiczna mikrowaga kwarcowa (EQCM), spektrofotometr UV – VIS, mikroskopy Ramana, kilkadziesiąt elektrochemicznych stacji pomiarowych czy piece laboratoryjne.

Idea naszej działalności polega na równoległym prowadzeniu prac konstrukcyjnych nad baterią z badaniami podstawowymi, których wyniki przenosimy na grunt praktyczny. Dzięki temu stworzyliśmy ogniwa o parametrach porównywalnych lub nawet lepszych niż te, jakimi dysponują najlepsze produkty na świecie – tłumaczy prof. Czerwiński.

W tej chwili najbardziej zaawansowane prace dotyczą akumulatora kwasowo-węglowego – hybrydowej formy akumulatora ołowiowego z  węglową matrycą 3D. Cechuje się on bardzo dużą pojemnością energetyczną, długą żywotnością i wykorzystaniem materiałów całkowicie dostępnych w kraju i niemal w całości poddających się recyklingowi.

Pracownia uczestniczy też w pracach konsorcjum PolStorEn, którego głównym celem jest współpraca sektorów naukowego, biznesowego oraz rządowego zmierzająca do opracowania i wdrożenia nowych rozwiązań w zakresie technologii wytwarzania akumulatorów i innowacji energetycznych co bezpośrednio przekłada się na rozwój elektromobilności w Polsce.

Badacze z Pracowni prowadzą również działalność popularyzatorską. Wydanych zostało do tej pory m.in. kilka podręczników szkolnych i książek akademickich (np. Akumulatory, baterie, ogniwa autorstwa prof. Andrzeja Czerwińskiego).