W latach 80. w Europie zaczęto badać niezwykły materiał: usieciowany węgiel szklisty, znany jako RVC (ang. reticulated vitreous carbon). To odmiana węgla twarda i krucha jak szkło, a jednocześnie porowata niczym gąbka, co czyni ją świetnym przewodnikiem o ogromnej powierzchni wewnętrznej.
– Gdy miałem pierwszy kontakt z tym materiałem, to moją pierwszą myślą było: akumulator ołowiowy – wspomina prof. Andrzej Czerwiński z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego.
Badacz postanowił sprawdzić, czy porowaty węgiel może posłużyć jako podłoże dla elektrod.
– Pewnego wieczoru osadziłem elektrochemicznie na jednej elektrodzie ołów, a na drugiej dwutlenek ołowiu. Podłączyłem radio – i radio zagrało. Pomyślałem: to jest to! – opowiada profesor. Eksperyment przeprowadził w 1990 roku.
Usieciowany węgiel szklisty pełni w akumulatorze rolę trójwymiarowego rusztowania. To na nim umieszcza się właściwe „serce” akumulatora – dwa różne materiały, które podczas pracy reagują ze sobą, wytwarzając prąd.
Na jednej elektrodzie znajduje się dwutlenek ołowiu (PbO₂), na drugiej metaliczny ołów (Pb). Kiedy akumulator zaczyna działać, między tymi substancjami zachodzi reakcja chemiczna, a elektrony – uciekając z jednej elektrody na drugą – tworzą przepływ prądu, który zasila urządzenie.
Aby elektrody były naprawdę wydajne, trzeba nałożyć te materiały bardzo równomiernie i w jak największej powierzchni kontaktu z elektrolitem. I tu właśnie pojawia się przewaga porowatego węgla.
Dzięki jego gąbczastej strukturze można „obsiać” go ołowiem i dwutlenkiem ołowiu metodą osadzania elektrochemicznego – procesem, w którym prąd wytrąca z roztworu czysty metal i odkłada go na przewodniku. W efekcie powstaje niezwykle aktywna elektroda: lekka, czysta, o dużej powierzchni i gotowa do efektywnego magazynowania energii.
Od pomysłu do materiału: jak udoskonalono konstrukcję elektrody
Wynalazek wymagał dopracowania. Jednym z pierwszych pytań było to, czy porowaty węgiel nie będzie wchodził w reakcję z dwutlenkiem ołowiu. Żeby temu zapobiec, prof. Andrzej Czerwiński zaproponował zastosowanie podkładu – cienkiej warstwy metalu oddzielającej oba materiały.
Testowano różne opcje, m.in. platynę, miedź i nikiel, ale najlepiej sprawdził się stop ołowiu. Jest stabilny chemicznie, dobrze przewodzi prąd, łatwo osadza się na porowatym węglu i – co ważne – sam nie reaguje z PbO₂, dzięki czemu cała konstrukcja elektrody pozostaje trwała.
Kolejnym wyzwaniem okazała się dostępność samego materiału węglowego. Reticulated vitreous carbon (RVC) produkowano głównie w Stanach Zjednoczonych i w ograniczonych ilościach. Oznaczało to długie terminy dostaw, wysokie koszty i konieczność zawierania formalnych umów międzynarodowych.
Żeby uniezależnić badania od importu i przyspieszyć prace, zespół prof. Czerwińskiego w 2016 roku opracował własny odpowiednik – CPC (ang. conductive porous carbon), czyli przewodzący, porowaty materiał węglowy o podobnych właściwościach co RVC. Głównym twórcą CPC jest mgr Piotr Podsadni – wieloletni członek zespołu.
Dzięki temu produkcja eksperymentalnych akumulatorów nie wymagała już sprowadzania materiałów z zagranicy. To o tyle istotne, że Polska należy dziś do czołowych producentów ołowiu i zajmuje drugie miejsce w Europie w produkcji akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
Zyski dla kierowców i dla środowiska
Jakie zalety ma akumulator opracowany przez prof. Czerwińskiego? Przede wszystkim zużywa znacznie mniej ołowiu niż wcześniejsze wersje. W tradycyjnych akumulatorach podłożem były ciężkie kratki z ołowiu – teraz pełni tę funkcję lekki, porowaty węgiel pokryty jedynie cienką warstwą metalu. Dzięki temu z tej samej masy materiału można uzyskać znacznie więcej energii.
Również recykling jest prostszy i bardziej efektywny – w piecach hutniczych ołów można odzyskać bez domieszek, z wydajnością przekraczającą 90%. Poprawiła się też żywotność akumulatora. Każdy kierowca wie, że samochód pozostawiony na kilka miesięcy zimą trudno uruchomić – a akumulatory z podłożem węglowym tracą zaledwie połowę swojej energii w ciągu dwóch lat.
Nie bez znaczenia jest odporność na temperaturę. Jeszcze w latach 90. podczas mroźnych zim powszechne było przynoszenie akumulatorów do domu na noc – dziś akumulatory kwasowo-ołowiowe działają niezawodnie zarówno w skrajnie niskich, jak i wysokich temperaturach – lepiej niż popularne baterie litowo-jonowe w urządzeniach elektronicznych.
Akumulator otrzymany według tej nowej technologii może w niektórych rozwiązaniach z powodzeniem zastąpić ogniwa litowo-jonowe. Przykładem mogą być magazyny energii.
Pionierska stacja magazynowania energii
Wynalazek prof. Czerwińskiego poddano rygorystycznym testom w ramach konkursu NCBiR (Narodowe Centrum Badań i Rozwoju) – warunkiem było, aby 40 ogniw wytrzymało 800 cykli rozładowania i ładowania.
Testy trwały dwa lata, od 2021 do 2023 roku, w kontrolowanych warunkach, prowadzonych przez niezależnych ekspertów wyznaczonych przez NCBR. Wszystkie ogniwa wytrzymały ponad 2000 cykli, a część nawet 3000!
Tak pozytywne wyniki sprawiły, że NCBiR sfinansowało budowę magazynu energii o pojemności 30 kWh na Kampusie Ochota UW, przy Radiochemii. Magazyn ten jest zasilany energią z paneli fotowoltaicznych o mocy 10 kW zainstalowanych na dachu budynku. Naukowcy wciąż monitorują jego funkcjonowanie – to pionierskie badania i testowa stacja w praktyce.
Dlaczego skuteczne, stabilne i wydajne źródła energii, skonstruowane z lokalnych surowców, mają tak ogromne znaczenie? Zapotrzebowanie na magazyny energii w najbliższych latach będzie ogromne, a troska o środowisko wymusza korzystanie z odnawialnych źródeł.
– Kto sobie założył fotowoltaikę ten wie, że zimą to nic z tego nie ma. Ja mam na działce. Latem jest dużo energii, ale zimą to tyle, co kot napłakał. Może gdy będzie jeszcze wykorzystany wiatr, to taki układ ma szansę dobrze funkcjonować – zauważa prof. Czerwiński.
Droga od laboratorium do przemysłu
Aktualnie zespół prof. Czerwińskiego kontynuuje prace nad ulepszaniem konstrukcji akumulatora kwasowo‑ołowiowego. Opracowane rozwiązania są objęte kilkoma patentami – m.in. patent nr PL235550 z 2020 r.: „Kolektor prądowy elektrod akumulatora ołowiowo‑kwasowego, sposób jego otrzymywania oraz akumulator ołowiowo‑kwasowy”.
W 2023 r. opublikowano artykuł, w którym testowano zmodyfikowany CPC (conductive porous carbon) pokryty warstwą ołowiu i miedzi jako element akumulatora. Badania wciąż prowadzone są w skali laboratoryjnej, a w skali przemysłowej funkcjonuje wspomniana testowa stacja na Kampusie Ochota UW.
Zastosowanie CPC w akumulatorach ołowiowych pokazuje, jak odważnie można ingerować w technologie, które wydają się już dopracowane. Każda zmiana w technologii to ryzyko niepowodzenia – jednak tym razem okazało się, że proponowana modyfikacja przyniosła realne korzyści.
Sukces nie byłby możliwy bez wyjątkowej zdolności profesora do łączenia badań podstawowych z aplikacyjnymi – najpierw analizował procesy fizykochemiczne, a następnie wdrażał je w praktyce.
– Połączenie badań podstawowych i użytkowych to kopalnia różnych opracowań. Można wtedy świadomie, a nie przypadkowo, trafić tam, gdzie się chce – podkreśla prof. Czerwiński.
Dzięki dokonaniom zespołu prof. Czerwińskiego akumulatory kwasowo‑ołowiowe z podłożem z CPC stają się bardziej wydajne, trwałe i przyjazne środowisku – zużywają mniej ołowiu i umożliwiają skuteczny recykling.
Zmodyfikowane akumulatory mogą być wykorzystywane jako magazyny energii w systemach, gdzie liczy się zarówno stabilność, jak i bezpieczeństwo oraz łatwy dostęp do materiałów do ich konstrukcji. Porowaty CPC zwiększa pojemność i żywotność ogniw, a cienkie warstwy metali umożliwiają ich długotrwałą eksploatację.
Obecne prace laboratoryjne i testowa stacja UW pokazują, że technologia działa w praktyce, a kolejnym krokiem będzie dopracowanie konstrukcji w skali przemysłowej i dalsze testy w rzeczywistych warunkach. Takie rozwiązania mogą w przyszłości wspierać rozwój magazynów energii w Polsce i na świecie – bez konieczności sięgania m. in. po metale rzadkie i krytyczne, które są drogie, trudno dostępne i w dużej mierze kontrolowane przez kraje poza Europą, co stwarza ryzyko ograniczeń importowych.
Choć wynalazek prof. Czerwińskiego działa bardzo dobrze w laboratorium i w testowej stacji, wprowadzenie go do masowej produkcji wymaga czasu. Nowe podłoże z CPC zmienia sposób wytwarzania elektrod, a każda modyfikacja w technologii akumulatorów wymaga rygorystycznych testów bezpieczeństwa i certyfikacji – procesów, które mogą trwać miesiące, a nawet lata.
Dodatkowo przemysłowe linie produkcyjne muszą zostać dostosowane do nowego materiału, a dostawy surowców – stabilnie zapewnione. To pokazuje, że nawet najbardziej obiecujące rozwiązania potrzebują cierpliwego wdrażania, zanim trafią do szerokiego użytku.
