Rosnące zapotrzebowanie na magazynowanie energii, niezbędne do transformacji energetycznej, stawia przed naukowcami zadanie opracowania technologii bateryjnych, które będą kosztowo efektywne, bezpieczne i oszczędne w zużyciu zasobów. W odpowiedzi na to wyzwanie, naukowcy z Fraunhofer Institute oraz ich partnerzy skupiają się na opracowaniu baterii sodowo‑jonowych, wykorzystujących lokalnie dostępne i przyjazne dla środowiska materiały. Jednym z obiecujących kierunków badań jest wykorzystanie ligniny, produktu ubocznego przemysłu drzewnego i celulozowego.
Lignina, kluczowy składnik drewna odpowiadający za jego stabilność, zazwyczaj poddawana jest spalaniu w celu wytworzenia energii. Jednak innowacyjni badacze z Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS oraz Friedrich-Schiller-University Jena, działający w ramach Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC), znaleźli lepsze zastosowanie dla tego biopolimeru. W projekcie o nazwie ThüNaBsE (Thuringia Sodium‑Ion Battery for Scalable Energy Storage) zespół naukowców opracowuje i testuje nowatorski typ baterii sodowo‑jonowych, wykorzystując ligninę – od surowca po pełnowartościową baterię o pojemności 1 Ah.
Głównym celem projektu jest zmniejszenie zależności od krytycznych surowców, przy jednoczesnym wspieraniu przejścia na tańsze, bardziej zrównoważone i bezpieczne technologie bateryjne. Ponadto projekt stawia na rozwój młodych naukowców z regionu Turyngii, angażując w prace badawcze doktorantów specjalizujących się w dziedzinie energii i technologii bateryjnych.
Lignina składa się głównie z węglowodorowych bloków, które mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach chemicznych, w tym jako materiał elektrodowy w bateriach. W ramach projektu ThüNaBsE bio-surowiec ten ma zostać wykorzystany do produkcji elektrod negatywowych. “Chcemy uniknąć wykorzystania krytycznych metali, takich jak lit, kobalt i nikiel, w łańcuchu dostaw baterii," wyjaśnia Lukas Medenbach, naukowiec z Fraunhofer IKTS w Arnstadt. “Dążymy również do minimalizacji zawartości fluoru w elektrodach i elektrolitach, a nawet całkowitego jej wyeliminowania. Niemniej jednak projekt skupia się przede wszystkim na przetworzeniu lokalnie dostępnej, wysokiej jakości ligniny w wysokowydajne elektrody dla naszych baterii sodowo‑jonowych."
Podstawą elektrod w “baterii z lasu turyńskiego" jest tzw. hard carbon, uzyskiwany z ligniny, produktu ubocznego przemysłu drzewnego. Lignina wykorzystywana w projekcie pochodzi od firmy Mercer Rosenthal GmbH. Pod warunkami beztlenowymi poddawana jest procesowi termicznemu, aby przekształcić ją w węgla, który następnie jest przetwarzany na elektrody.
“Nasi partnerzy z Institute for Technical Chemistry and Environmental Chemistry na Friedrich-Schiller-University, kierowani przez profesora Martina Oschatza, wykorzystują procesy termiczne do przekształcenia ligniny w to, co nazywamy hard carbon," wyjaśnia Cornelius Dirksen, kolega Medenbacha. “Struktura tego hard carbon jest bardzo korzystna do odwracalnego magazynowania jonów sodu. Charakteryzuje się on wysoką wydajnością elektrochemiczną, dobrą stabilnością cykliczną i niskimi kosztami pozyskania, szczególnie jeśli pochodzi z zrównoważonych surowców."
W elektrodach dodatnich zastosowano analogi szafiru pruskiego – nietoksyczne związki żelaza. Substancja ta, pierwotnie wykorzystywana jako pigment około 200 lat temu, charakteryzuje się dobrym dostępem do surowców, kompatybilnością ze środowiskiem i właściwościami magazynowania jonów sodu.
Pierwsze małe komórki demonstracyjne są obecnie budowane i testowane w centrum testowym baterii Fraunhofer IKTS w Arnstadt, w Fraunhofer IKTS w Hermsdorf i na Friedrich Schiller University w Jenie. Prace laboratoryjne uzupełniają realistyczne symulacje wielofizyczne.
Wstępne wyniki są bardzo obiecujące. “Po 100 cyklach ładowania i rozładowania, komórka laboratoryjna nie wykazuje znaczącej degradacji," informuje Medenbach. “Celem jest zademonstrowanie 200 cykli ładowania i rozładowania dla pełnej komórki 1 Ah do końca projektu."
Po pełnym opracowaniu baterie sodowo‑jonowe oparte na ligninie mogłyby znaleźć zastosowanie w magazynowaniu energii stacjonarnym lub mobilnym, gdzie szybkie ładowanie nie jest wymagane. Szczególnie dobrze nadają się do zastosowań mobilnych o niższych wymaganiach mocy, takich jak np. mikro samochody (z ograniczeniem prędkości do 45 km/h) lub pojazdy logistyczne, takie jak wózki widłowe.
Po zakończeniu projektu partnerzy mają zamiar dalej skalować technologię i dążyć do kolejnych etapów dojrzałości technologicznej, za pośrednictwem jeszcze większego konsorcjum. Projekt ThüNaBsE to nie tylko innowacyjne podejście do produkcji baterii, ale również przykład, jak można efektywnie wykorzystywać produkty uboczne przemysłu, przyczyniając się do zrównoważonego rozwoju i redukcji zależności od krytycznych surowców.