Zastosowanie baterii wciąż ma wiele ograniczeń. Technologia opracowana na Politechnice Warszawskiej może ten rynek zrewolucjonizować

Do 2026 roku globalny rynek baterii ma już osiągnąć wartość blisko 174 mld dol. Napędza go m.in. segment elektroniki użytkowej, rozwój elektromobilności i rynku magazynowania energii. – Dziś wciąż jest jednak kilka ograniczeń, które blokują nam możliwości zastosowania baterii – zauważa dr hab. inż. Leszek Niedzicki z Politechniki Warszawskiej. Nierozwiązanym problemem pozostają m.in. technologie szybkiego ładowania baterii, ich ograniczenia temperaturowe, jak i pozyskiwanie surowców do ich produkcji. Dlatego też naukowcy stale pracują nad ich doskonaleniem. Duże osiągnięcia na tym polu ma zespół polskich badaczy z Politechniki Warszawskiej, który opracował m.in. nowy typ elektrolitu. To dopiero druga taka technologia na świecie i pierwsza w Europie, ale już korzysta z niej m.in. kilku producentów elektroniki.

– Właściwie jesteśmy już cywilizacją na baterie. Prawie wszystkie nowe technologie, które wchodzą na rynek, są na nich oparte. Używamy baterii wszędzie, np. jadąc autobusem czy samochodem elektrycznym, nasze słuchawki, myszki i laptopy też są na baterie. Są już też pomysły na pociągi, są już pierwsze promy na baterie i małe samolociki napędzane elektrycznie, więc ten trend będzie tylko rósł – mówi agencji Newseria Biznes dr hab. inż. Leszek Niedzicki, profesor na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej.

Baterie są niezbędnym źródłem zasilania dla szerokiej gamy energochłonnych urządzeń elektronicznych w zastosowaniach konsumenckich i przemysłowych. Z chemicznych magazynów energii korzysta – bez kabli i emisji spalin – ogromna liczba urządzeń: od słuchawek bezprzewodowych, laptopów, przez samochody Tesli, po ogromnego Dreamlinera czy nawet sondy kosmiczne.

Z opublikowanego w styczniu br. raportu Global Industry Analysts („Battery – Global Market Trajectory & Analytics) wynika, że wartość globalnego rynku baterii – w 2021 roku szacowana na ok. 105,6 mld dol. – w ciągu kilku najbliższych lat znacząco wzrośnie, osiągając 173,7 mld dol. już w 2026 roku, przy średniorocznym tempie wzrostu wynoszącym 10,3 proc. Obecnie blisko 1/3 udziałów w tym rynku mają stosunkowo najpopularniejsze baterie litowo-jonowe i zdaniem analityków właśnie ten segment zanotuje największy wzrost (blisko 15 proc. rocznie), aby w 2027 roku osiągnąć wartość 118,4 mld dol.

Podobne analizy przytacza też MarketsandMarkets. Wynika z nich, że globalny rynek baterii litowo-jonowych wzrośnie z nieco ponad 41 mld dol. w 2021 roku do 116,6 mld dol. na koniec obecnej dekady. Ten rynkowy wzrost będzie zaś napędzany głównie przez segment elektroniki użytkowej i rozwój samochodów elektrycznych (eksperci szacują, że w latach 2020–2027 globalne zapotrzebowanie na baterie wzrośnie aż 10-krotnie wskutek rozwoju elektromobilności), a także energetykę odnawialną i rozwój rynku magazynowania energii.

– Jest jednak kilka ograniczeń, które na dziś blokują nam rozwój bądź możliwości zastosowania baterii – zauważa dr hab. inż. Leszek Niedzicki.

Jak wskazuje, pierwszym z nich są ograniczenie temperaturowe, ponieważ przyjmuje się, że baterie działają w zakresie od ok. -10 do maksymalnie 60°C. Dlatego ich użytkowanie bywa problemem w zimie oraz w niektórych branżach i gorętszych regionach świata. Nierozwiązanym problemem wciąż pozostają też technologie szybkiego ładowania baterii oraz pozyskiwania surowców do ich produkcji. Dla przykładu Kongo odpowiada za niemal 70 proc. dostaw kobaltu. Tak duża zależność stwarza zarówno ekonomiczne, jak i geopolityczne ryzyka. Ma też przełożenie na cenę.

– To m.in. kobalt, którego większość jest wydobywana tylko w jednym kraju na świecie i w dodatku dość niestabilnym, bo w Kongo. Z drugiej strony mamy materiały takie jak grafit, który niby jest powszechnie dostępny, ale ten najlepszej jakości pochodzi z krajów takich jak Sri Lanka, Chiny i Australia, a to są kraje dalekie i możliwości wydobycia wcale nie są tak duże, jak by się wydawało – podkreśla profesor Politechniki Warszawskiej. – Są też problemy dotyczące zastosowania baterii, np. ze względu na zbyt małą gęstość energii, czyli zbyt małą pojemność albo zbyt małe możliwości ładowania. W niektórych zastosowaniach nadal nie możemy ich użyć, chociażby w samolotach elektrycznych, ponieważ te baterie ciągle są zbyt ciężkie.

Kilka lat temu wszystkie samoloty Dreamliner zostały „uziemione” właśnie ze względu na wadliwe magazyny prądu. Podobne problemy zdarzały się też w przypadku elektroniki konsumenckiej, czego przykładem były kilka lat temu chociażby wybuchające baterie w smartfonach. Dlatego też naukowcy stale pracują nad ich doskonaleniem.

– Baterie przyszłości to w tej chwili dwa nurty i trudno powiedzieć, który wygra, bo to horyzont przynajmniej 10 lat. Pierwsza kwestia to możliwość zastosowania litu metalicznego w ogniwach, co bardzo poprawiłoby ich pojemność. Natomiast to niestety jeszcze chwilę potrwa. Możliwości szybkiego ładowania litem też są ograniczone i nie wyszliśmy jeszcze poza obszar prototypów. Jednak lit metaliczny to najprawdopodobniej przyszłość dla bardziej pojemnych ogniw. Podobnie jak zastosowanie siarki. I to jest ten drugi element, chodzi o pozbycie się kobaltu, niklu i innych droższych metali na rzecz dosyć taniej albo wręcz prawie odpadowej siarki – mówi dr hab. inż. Leszek Niedzicki. – Kolejny kierunek to ogniwa, które mają być jak najtańsze, i prawdopodobnie posłuży temu sód, być może z siarką, być może z powietrzem, albo ogniwa lit–powietrze. Wciąż nie jest jednak pewne, która z tych technologii wejdzie do użycia.

Poszukiwaniem nowych materiałów i technologii produkcji baterii zajmuje się również zespół polskich naukowców z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, kierowanego przez prof. Władysława Wieczorka. Polscy badacze już mają na tym polu olbrzymie osiągnięcia – technologie opracowane na Politechnice Warszawskiej są już wykorzystywane przez jeden z europejskich koncernów.

– Nasze osiągnięcia obejmują przede wszystkim wdrożenie drugiej w historii technologii elektrolitów do baterii – mówi ekspert Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. – Baterie litowo-jonowe składają się z trzech głównych komponentów: katody, anody i elektrolitu. Te elektrolity przez ostatnich 30 lat istnienia baterii litowo-jonowych na rynku, właściwie od momentu ich powstania, bazowały na jednej technologii. Wszystkie pozostałe komponenty się zmieniały, a elektrolit był niezmienny. Na Politechnice Warszawskiej opracowaliśmy nowy elektrolit, z użyciem mniej toksycznego materiału, który sprawia, że ogniwo działa dłużej i wolniej się starzeje. Bez problemu może też działać w dużo wyższych temperaturach, do 90°C. To dopiero druga taka technologia na świecie i pierwsza w Europie. Baterie z użyciem tego elektrolitu już są na rynku. Z powodu tajemnicy handlowej nie mogę podać konkretnych marek, ale droższe modele smartfonów są w nie już wyposażone.

Polskie innowacje na rynku baterii były głównym tematem marcowego Good Morning Science. To cykl comiesięcznych spotkań skupionych wokół innowacji w nauce organizowany w ramach inicjatywy klubu Trend House założonego przez Fundację Venture Café Warsaw. Misją klubu jest łączenie innowatorów i rozwiązywanie ważnych problemów społecznych, ekonomicznych i technologicznych. Trend House obecnie liczy ponad 240 członków, w tym osobistości ze świata nauki, biznesu i ekosystemu innowacji. Gospodarzem formatu jest znany popularyzator nauki i legenda telewizji Wiktor Niedzicki (członek klubu), który co miesiąc zaprasza swoich gości, by zaprezentowali najnowsze naukowe dokonania polskich zespołów badawczych.