Akumulatory z drukarki 3D? Zrównoważone polimery sprawiają, że staje się to możliwe
Firma start-up POLYKEY powstała w 2020 roku jako spółka wydzielona z Uniwersytetu Kraju Basków. Poza specjalizacją w zakresie recyklingu tworzyw sztucznych w procesie depolimeryzacji, zespół opracował rozwiązanie w postaci akumulatorów z elektrolitem stałym, wytworzonym na podstawie zrównoważonych polimerów. Nie da się ukryć, że nowe rozwiązanie jest niemal zbyt piękne, by mogło być prawdziwe – nowe akumulatory są lżejsze, mają lepsze osiągi w wysokich temperaturach i są niepalne. Prace nad tym nowatorskim rozwiązaniem rozpoczęły się w 2012 roku dzięki grantowi ERBN dla badaczy rozpoczynających niezależną karierę w ramach projektu iPES. Dwa lata temu na podstawie jego rezultatów rozpoczął się kolejny sponsorowany przez Radę projekt iPES-3DBat (Innovative Polymeric Batteries by 3D Printing), mający na celu weryfikację założeń koncepcji. Zespół projektowy pod kierownictwem Davida Mecerreyesa dostrzegł ograniczenia współczesnych akumulatorów dotyczące kształtu, sztywności oraz kosztów, w związku z czym postanowił opracować szereg innowacyjnych materiałów polimerowych. W ramach prac nad projektem iPES-3DBat badacze postanowili opracować ogniwa polimerowe możliwe do wytworzenia w ramach szybkiego i taniego procesu drukowania 3D. „Wszystkie ogniwa polimerowe oferują szereg korzyści stawiających je ponad tradycyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi”, wyjaśnia Mecerreyes, wiceprezes Polymat – Baskijskiego Ośrodka Projektowania Makromolekularnego i Inżynierii, działającego przy Uniwersytecie Kraju Basków. „Przede wszystkim nie wymagają toksycznych i rzadkich materiałów nieorganicznych, takich jak lit, kobalt, nikiel czy mangan. To jednak nie jest ich jedyna zaleta. Wśród najważniejszych można wymienić możliwość wykorzystania odnawialnych materiałów pochodzenia biologicznego, elastyczność, możliwość recyklingu oraz wykorzystania metod obróbki przyrostowej (w tym między innymi druku 3D) w ramach procesu wytwarzania. Celem, który przyświecał projektowi iPES-3DBat było opracowanie materiałów pozwalającym ludziom na drukowanie własnych ogniw w warunkach domowych”.
Biopolimery w urządzeniach o niewielkim zapotrzebowaniu na energię
Tradycyjne ogniwa charakteryzują się planarną konstrukcją. Atramenty przeznaczone do druku 3D zmieniają ten stan rzeczy i pozwalają na uzyskiwanie zróżnicowanych kształtów. Ich zastosowanie pozwala również na uzyskanie większej mocy i gęstości energii dzięki zwiększeniu powierzchni elektrod. By stworzyć tego rodzaju atramenty, zespół projektu iPES-3DBat wykorzystał nowatorskie polimery redoks opracowane w ramach inicjatywy iPES, w tym biopolimery występujące powszechnie w środowisku naturalnym, takie jak na przykład lignina – dzięki temu proces recyklingu ogniw jest prostszy niż kiedykolwiek. Poza optymalizacją na potrzeby druku 3D, wszystkie biopolimery charakteryzują trzy główne cechy wspólne – są bezpieczne dla środowiska, wolne od toksycznych substancji chemicznych i oparte na zasobach odnawialnych. „Kwestie związane z drukiem 3D nastręczyły nam najwięcej trudności. Musieliśmy wydrukować od trzech do pięciu różnych warstw – warstwę przewodzącą, anodę, katodę i elektrolit, a następnie zadbać o to, by wszystkie działały sprawnie”, zauważa Mecerreyes. Naukowcom udało się skutecznie zademonstrować szereg ogniw polimerowych wykonanych w technologii druku 3D, które obecnie nie są niestety w stanie konkurować z ogniwami litowo-jonowymi w zastosowaniach wysokoenergetycznych, takich jak zasilanie pojazdów elektrycznych czy smartfonów. Jak zauważa Mecerreyes, pomimo tego nadal są one użyteczne. „Nietrudno jest przewidzieć niszowe zastosowania cienkich ogniw bądź akumulatorów wykonywanych w technologii druku 3D w mikroelektronice, urządzeniach medycznych, urządzeniach internetu rzeczy czy zabawkach – a to tylko kilka przykładów”. Prototypowe akumulatory oferują możliwość regulacji napięcia od 0,5 do 1,5 V i gęstość energii i mocy rzędu 80,6 Wh kg‒1 / 348 kW kg‒1, co stanowi wartość wystarczającą dla takich zastosowań. Co więcej, ogniwa są dość wytrzymałe i bez problemu wytrzymują przeszło 1000 cykli ładowania i rozładowania. „Obecnie celem POLYKEY jest dostarczanie na rynek polimerów do ogniw, a także zrównoważonych rozwiązań w zakresie recyklingu tworzyw sztucznych opartych na polimerach i produktów dla przemysłu biologicznego. Od czasu zakończenia prac nad projektem pracujemy nad powiększeniem naszego portfela materiałów, poszukując partnerów i inwestorów zainteresowanych tą technologią”, podsumowuje Mecerreyes.
Słowa kluczowe
iPES-3DBat, litowo-jonowe, POLYKEY, biopolimery, akumulatory z elektrolitem stałym
