Niemieccy naukowcy tworzą baterię sodowo-jonową na bazie ligniny

Na tle globalnego wyścigu o surowce do produkcji baterii (litu, niklu, kobaltu i grafitu) z Niemiec płynie sygnał, który może w dłuższej perspektywie zmienić reguły gry. Zespół badaczy z Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems oraz Uniwersytetu im. Friedricha Schillera w Jenie zaprezentował prototyp baterii sodowo-jonowej, w której materiałem anody jest twardy węgiel otrzymany z ligniny.

Od odpadu przemysłowego do strategicznego materiału bateryjnego

Lignina to jeden z najbardziej rozpowszechnionych polimerów organicznych na Ziemi. Obok celulozy i hemicelulozy buduje ściany komórkowe roślin. W skali przemysłowej powstaje jako produkt uboczny w procesach przerobu drewna. Przez dekady była traktowana głównie jako paliwo niskiej jakości lub odpad technologiczny. Tymczasem jej właściwości chemiczne (obecność grup redoks oraz możliwość przekształcania w przewodzący węgiel) czynią ją atrakcyjnym surowcem dla elektrochemii.

W projekcie Fraunhofera lignina dostarczona przez firmę Mercer Rosenthal GmbH została poddana karbonizacji w warunkach beztlenowych, w wyniku czego powstał twardy węgiel o strukturze sprzyjającej odwracalnej interkalacji jonów sodu. W przeciwieństwie do grafitu (powszechnie stosowanego w bateriach litowo-jonowych) hard carbon lepiej akceptuje większe jony sodu, które w strukturze grafitu mają ograniczoną mobilność.

Sód zamiast litu

Baterie sodowo-jonowe od kilku lat postrzegane są jako potencjalne uzupełnienie (a nie pełny zamiennik) technologii litowo-jonowej. Sód:

• jest wielokrotnie bardziej dostępny geograficznie niż lit,
• nie podlega tak silnym napięciom geopolitycznym i koncentracji wydobycia,
• pozwala obniżyć koszty surowcowe magazynów energii,
• jest atrakcyjny dla zastosowań sieciowych.

W europejskim kontekście rozwój sodowo-jonowych technologii bateryjnych wpisuje się w szerszą strategię suwerenności technologicznej UE. Projekt Fraunhofera ma wprost wskazany cel: zmniejszenie zależności od surowców krytycznych oraz rozwój tańszych, bezpieczniejszych i bardziej zrównoważonych chemii bateryjnych.

Wyniki testów i potencjalne zastosowania

Zespół badawczy zbudował pełne ogniwa o pojemności 1 Ah, które przeszły testy w centrach testowych Fraunhofer IKTS w Arnstadt i Hermsdorfie oraz na Uniwersytecie w Jenie. Po 100 cyklach ładowania i rozładowania nie zaobserwowano istotnej degradacji parametrów elektrochemicznych. Celem projektu jest osiągnięcie co najmniej 200 stabilnych cykli do końca programu badawczego.

Choć 100–200 cykli to poziom daleki od dojrzałości komercyjnej, w kontekście wczesnego etapu rozwoju technologii sodowo-jonowych na bazie biopochodnych elektrod jest to wynik obiecujący. Badacze otwarcie wskazują, że docelowym obszarem zastosowań są magazyny energii stacjonarne oraz wybrane aplikacje mobilne, gdzie:

• ważna jest niska cena materiałów,
• liczy się odporność na wahania temperatur,
• wymogi dotyczące gęstości energii są mniej restrykcyjne niż w elektromobilności klasy premium.

Warto zwrócić uwagę na model organizacyjny projektu. W inicjatywę zaangażowano regionalne firmy przemysłowe z Turyngii i Austrii. Od producentów materiałów (IBU-tec advanced materials AG), przez inżynierię procesową (Glatt Ingenieurtechnik GmbH), po producentów systemów bateryjnych (EAS Batteries GmbH). Taki układ to próba budowy regionalnego łańcucha wartości dla nowych technologii bateryjnych.

Bateria sodowo-jonowa na bazie ligniny to dziś jeszcze projekt badawczy, ale jednocześnie czytelny sygnał na temat przyszłości magazynowania energii.