Instytut Wysokich Ciśnień

Narodowe Centrum Nauki (NCN) ogłosiło wyniki konkurs OPUS 23. Wśród laureatów w Panelu ST5 (Synteza Chemiczna i Nauka o Materiałach), na pozycji nr 1, znajduje się projekt ‘Materiały ze Szkła Formowanego Ciśnieniem dla Innowacyjnego Magazynowania i Konwersji Energii’ (‘Pressurized Glassy Materials for Innovative Energy Storage and Conversion’).

Liderem Projektu jest prof. dr hab. Sylwester J. Rzoska (IWC PAN, NL10: X-PressMatter), a Partnerem z ramienia Politechniki Warszawskiej (Wydz. Fizyki) prof. dr hab. Jerzy E. Garbarczyk. Wartość 4-letniego Projektu  to  1 837 564  PLN , z tego koszt prac w IWC PAN to  1 344 440 PLN, a koszt prac w PW (WF) to 493 124 PLN.

Energia jest słowem-kluczem opisującym największe wyzwanie przed którym stanęła współczesna cywilizacja. Bezwzględna konieczność odejścia od węgla, gazu czy ropy naftowej to źródło nieznanego od dekad Kryzysu ekonomiczno-społecznego w skali światowej. Zasadniczym elementem dla jego pokonania jest opracowanie i wdrożenie przełomowych ‘energetycznych’ innowacji.

Propozycją takiej innowacyjnej odpowiedzi może być odkrycie w zespole (IWC PAN + PW) otrzymywania ‘szklanych’ elektrod (katod) do nowej generacji baterii, ogniw paliwowych czy urządzeń do produkcji wodoru w oparciu o formowanie pod wysokim ciśnieniem (high pressure, HP) i temperaturą (high temperature, HT).

Wstępne badania [1-3] pokazały, że ciśnieniowanie jakościowo zwiększa – w sposób trwały (!) – przewodność elektryczną katod, co jest podstawowym warunkiem dla aplikacji. Podkreślamy unikalność tych zmian, ponieważ zazwyczaj  ciśnienie silnie zmniejsza przewodność, a efekty jego działania znikają po dekompresji.

Warto podkreślić, że najlepsze efekty uzyskano w materiale gdzie zamiast litu (Li) stosowany jest sód (Na), czyli materiał tani i powszechnie dostępny. Ten Projekt to także prace nad  innowacyjnym rozwiązaniem/zakończeniem ‘wielkiej gorączki poszukiwań Litu’ [3].

Na czym polega szczególność ‘szklanych elektrod’? Odpowiedź brzmi: na ich hipotetycznie nieograniczonej trwałości. Innowacyjna bateria oparta o ‘szklane’ elektrody nie powinna tracić swoich walorów po kilku latach użytkowania – szczególnie, jeśli  zawiera ‘szklisty elektrolit’, co także jest przedmiotem danego Projektu.

Pojawiła się więc potencjalna możliwość budowy ‘szklanych’ baterii, o niezwykłej trwałości co mogłoby jakościowo zmienić rolę Odnawialnych Źródeł Energii (których sukces wymaga lokalnych – tanich i trwałych - magazynów energii). To także szansa na realną zmianę nastawienia do samochodów ‘elektrycznych’. Przeciętny entuzjazm dla tych ostatnich wynika przede wszystkim z braku trwałości i kosztów baterii.

Projekt zajmuje się polskim odkryciem, dokonanym przez zespoły IWC PAN i PW (WF). Był on możliwy dzięki unikalnym w skali światowej wielkoobjętościowym procesorom HP-HT w laboratorium kierowanym przez prof. dr hab. Michała Boćkowskiego (IWC PAN). Celem Projektu jest fundamentalne poznanie wspomnianych nowych fenomenów, co jest bazą ‘projektową’ dla dalszych  konkretnych rozwiązań pilotażowych.

Droga ‘od pomysłu do przemysłu’ w wyniku danego Projektu może okazać się krótka: IWC PAN posiada bowiem wspomniane procesory HP-HT umożliwiające przygotowywanie nawet wielkogabarytowych elementów. Aplikacja w praktyce wymaga oczywiście zainteresowania ze strony biznesu, na co mamy nadzieję.

1.    Baranowski, P.; Starzonek, S.; Drozd-Rzoska, A.; Rzoska, S. J.; Bockowski. M.; Keblinski, P.; Pietrzak, T. K.; Garbarczyk, J. E. (2019). Multifold pressure-induced increase of electric conductivity in LiFe0.75V0.10PO4 glass. Scientific Reports 9, 16607.
2.    Drozd-Rzoska, A.; Starzonek, S.; Rzoska, S. J.; Bockowski, M.; Garbarczyk, J. E. (2022). Pressure evolution of glass transition temperature in LiFePO4. J. Phys. Chem. Lett. 13, 7269–7272.
3.    Szpakiewicz-Szatan, A.; Starzonek; S., Pietrzak, T. K.;. Garbarczyk, J. E; Rzoska, S. J. Boćkowski, M. (2023). Novel high-pressure nanocomposites for cathode materials in sodium batteries. Nanomaterials 13 (1), 164.