Profesor Jürgen Janek, czołowa postać w dziedzinie elektrochemii ciała stałego na Uniwersytecie Justusa Liebiga w Giessen, omawia przeszłość, teraźniejszość i przyszłość magazynowania energii poza litem. Jej prace, wspierane przez prestiżowy klaster doskonałości w zakresie magazynowania litu (POLiS), przodują w rozwoju akumulatorów nowej generacji.
Od historii do wysokiej przewodności: droga do akumulatorów półprzewodnikowych
Droga Janka na to pole była niemal przypadkowa. Początkowo zastanawiając się nad historią, ostatecznie wybrał chemię, kierując się fundamentalnymi lukami w istniejącej wiedzy. Przypisuje wczesnym mentorom duże doświadczenie w fizyce i materiałoznawstwie, a także współpracę z Alanem B. Lydiardem, którzy ukształtowali jego pogląd na transport jonów w ciałach stałych, temat historycznie niedostatecznie reprezentowany w standardowych programach nauczania chemii. Zrozumienie, że elektrochemia ciała stałego łączy w sobie fizykę, chemię i inżynierię, popchnęło go w dziedzinę, która jego zdaniem będzie miała kluczowe znaczenie dla przyszłych technologii energetycznych.
Przełom przyspieszający badania nad akumulatorami półprzewodnikowymi
Kluczowym punktem zwrotnym był raport Ryuichi Kanno z 2011 roku na temat wysokiej przewodności jonowej litu w związku siarczkowym Li10GeP2S12 (LGPS). To odkrycie — przewodność lepsza niż w przypadku ciekłych elektrolitów — zapoczątkowało szybki postęp w koncepcjach akumulatorów półprzewodnikowych. Janek zauważa, że ten przełom zapoczątkował intensywną światową konkurencję o nowe elektrolity stałe, wyścig, który trwa do dziś. Pojawiające się badania sugerują, że jeszcze wyższy poziom przewodności można osiągnąć przy użyciu stałych elektrolitów na bazie sodu, co potencjalnie pozwala na stworzenie bardziej stabilnych i wydajnych akumulatorów.
POLiS: finansowanie przyszłości magazynowania energii
Klaster POLiS, zarządzany wspólnie przez Uniwersytet w Ulm, Instytut Technologii w Karlsruhe i Uniwersytet Justusa Liebiga w Giessen, jest główną siłą napędową tych badań. Celem programu, którego odnowiony siedmioletni okres finansowania rozpoczyna się w 2026 r., jest zbadanie możliwości magazynowania energii innych niż lit, w tym systemów opartych na sodzie, potasie, magnezie, wapniu, aluminium, a nawet na anionach. Chociaż baterie litowe pozostaną istotne, POLiS stara się zdywersyfikować technologie magazynowania, aby zmniejszyć zależność od pojedynczego ogniwa i zwiększyć odporność na wstrząsy geopolityczne.
Ostatnie osiągnięcia: obrazowanie anod metalowych i wysokoprzewodzących elektrolitów na bazie magnezu
Grupa Janka wnosi znaczący wkład do POLiS poprzez dogłębne badania koncepcji ciała stałego, reakcji międzyfazowych i przenoszenia ładunku. Niedawne prace prowadzone pod kierunkiem doktorantów Tilla Ortmanna i Tilla Fuchsa pozwoliły na zaawansowane obrazowanie mikroskopowe anod sodowych i litowo-metalowych przy użyciu dyfrakcji wstecznego rozproszenia elektronów, otwierając nowe możliwości projektowania anod. Badania Clarissy Glaser również przyniosły obiecujące wyniki, syntetyzując stałe elektrolity na bazie jonów magnezu o przewodności sięgającej 0,1 mS/cm – co stanowi krok w kierunku opłacalnych akumulatorów magnezowo-jonowych.
Kluczowa rola recyklingu
W programie uznaje się, że zrównoważony rozwój nie podlega negocjacjom. Janek podkreśla, że recykling trzeba od początku uwzględnić w projektowaniu nowych materiałów i koncepcji ogniw, zapewniając obieg tych technologii.
Poza litem: przewidywanie następnej technologii baterii gigawatowych
Choć przyszłość jest trudna do przewidzenia, Janek przewiduje, że akumulatory sodowo-jonowe staną się kolejną po ołowiu, litu i sodu, powszechnie stosowaną technologią. To, czy inne chemikalia „poza litem”, takie jak potas, magnez czy aluminium, osiągną skalę gigawatową, zależy od ich produktywności i wykonalności ekonomicznej. POLiS aktywnie bada te możliwości, mając nadzieję, że któraś z nich stanie się praktycznym rozwiązaniem na szeroką skalę.
Doskonalenie komunikacji naukowej
Janek uważa, że komunikacja naukowa musi ewoluować w czasie. Opowiada się za publikacją w otwartym dostępie ze ścisłą kontrolą jakości i wzywa do bardziej aktywnej dyskusji na temat opublikowanych badań, sugerując nawet możliwość modyfikacji lub ulepszenia pracy po publikacji – koncepcja odzwierciedlająca dynamiczny charakter współczesnej nauki.
Podsumowując, praca profesora Janka i trwające badania POLiS stanowią kluczowe wysiłki na rzecz dywersyfikacji i udoskonalenia technologii magazynowania energii. Koncentrując się na materiałach innych niż lit i traktując priorytetowo zrównoważony rozwój, badania te mogą zmienić przyszłość produkcji i zużycia energii.
