– Mimo licznych zalet, sód ma pewną wadę – zauważa dyrektor ICNT – Gdy zejdziemy do wymiarów jonowych poszczególnych kationów, okazuje się, że lit jest bardzo mały, w układzie okresowym to trzeci w kolejności pierwiastek pod względem stopnia skomplikowania, a sód jest pierwiastkiem 11. Jest większy, co powoduje znaczne trudności w zakresie jego migracji do elektrod i z elektrod, czyli w akumulacji ładunku i jego odzyskiwaniu.
Inna jest cała kinetyka i materiały mające wiązać jony sodowe i uwalniać w zależności od tego, czy ładujemy, czy rozładowujemy baterię. Inna musi być też membrana oddzielająca anodę od katody i elektrolit, czyli np. płyn, w którym zawieszone są jony robocze.
– To konieczność wymusza postęp, a na razie jej nie ma, bo na dziś litu jest pod dostatkiem, nikt nie zdecydował się na szantażowanie partnerów czy przeciwników ekonomicznych przykręcaniem kurka z litem – tłumaczy prof. Łukaszewicz – Póki co technologia litowo-jonowa funkcjonuje, wszyscy się do niej przyzwyczaili, ale za jakiś czas może się to zmienić, na pewno się zmieni, a ciężar zastosowań i opracowywania nowych rozwiązań najprawdopodobniej przesunie się w kierunku baterii sodowych. Ale trzeba pamiętać, że są jeszcze inne rozwiązania.
Do kolejnego etapu rozwoju akumulatorów dojdzie dopiero w momencie, gdy na masową skalę uda się opanować technologie preparowania materiałów porowatych na bazie pozlepianych płatków grafenowych, przestrzennie tworzących coś na kształt struktury porowatej węgla aktywnego, a punktem wyjścia będzie nie grafen, a grafit, którego jest pod dostatkiem i który jest tani.
– Niezależnie od perspektyw zastosowania materiałów grafenowych w urządzeniach elektronicznych, chciałbym zauważyć, że postęp w zwykłych węglach i konstrukcji baterii litowo-jonowych jest ogromny, o czym świadczy fakt, że w znaczącej liczbie urządzeń jest to już element niewymienny – mówi chemik – Zakłada się, że akumulator będzie działał 4–5 lat, czyli tyle, ile cały telefon i razem z telefonem zostanie zezłomowany.
W masowej produkcji potrzeba będzie dziesiątek tysięcy ton grafenu rocznie, czego nie da się osiągnąć poprzez oklejanie grafitu taśmą klejącą – to metoda dobra do laboratorium, w ten sposób można pozyskiwać odpowiednią ilość materiału do badań. Pojawiły się więc syntetyczne sposoby pozyskiwania grafenu – na dużą skalę z wykorzystaniem podłoży metalicznych i metody CVD, czyli takiej, w której źródłem fazy węglowej jest rozkład gazów węglowodorowych, np. metanu.
Drugą gałęzią wykorzystania węgli aktywnych, poza bateriami, jest produkcja filtrów do wody. Pojawiają się pomysły, żeby strukturyzować przestrzennie płatki grafenowe i tworzyć materiały przypominające węgiel aktywny i używać ich do oczyszczania wody z możliwością wielokrotnej regeneracji filtra.
– Filtr węglowy można regenerować, ale ilość cykli regeneracyjnych jest ograniczona – tłumaczy chemik – Ponieważ węgiel aktywny jest niestabilny chemicznie, utlenia się, zachodzą w nim inne reakcje, stopniowo traci swoje właściwości. Materiały na bazie grafenu też będą ulegały temu procesowi, ale będzie on wolniejszy, więc filtry będą „żyły” dłużej.
Moskwa lubi grafen
Prof. Łukaszewicz od lat bada grafen. W ubiegłym roku jego zespół, który tworzyli dr Piotr Kamedulski i mgr Wojciech Zieliński z Katedry Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy oraz student Paweł Nowak, zdobył na Międzynarodowych Targach ARCHIMEDES 2020 złoty medal oraz Nagrodę Specjalną za wynalazek „Sposób otrzymywania trójwymiarowych róż grafenowych”.
– Założeniem do naszych badań było to, że nie używamy grafenu w postaci pojedynczych plastrów miodu grubości jednego atomu, odlepianych taśmą klejącą, bo to nie ma sensu – mówi chemik z ICNT – Pole powierzchni właściwej takiego plastra zwykle wynosi parędziesiąt metrów kwadratowych na gram i jest materiałem pozbawionym tzw. struktury porowatej trwałej, czyli takiej, która nie będzie zanikała.
A materiał elektrodowy musi mieć trzy cechy: bardzo dobrze przewodzić prąd elektryczny, i to grafen gwarantuje z definicji, musi posiadać strukturę porowatą, najlepiej w układzie tzw. mezoporów i musi mieć duże pole powierzchni. Dlatego trzeba zrobić coś, żeby z materiału, który ma 10 metrów kwadratowych powierzchni na gram, powstał taki mający 1000 metrów kwadratowych na gram i jest zbudowany z plastrów grafenu.
– To jest tak, jakbyśmy mieli kartkę papieru – tłumaczy prof. Łukaszewicz – Ona jest płaska, czyli odpowiada naszemu grafenowi idealnemu. Ale jak ją podrzemy na małe kawałki, mamy już materiał dwuwymiarowy, a jeśli posklejamy przypadkowo te drobinki w „pianę”, otrzymamy materiał trójwymiarowy. Są pory i pole powierzchni. Dlatego skoncentrowaliśmy się na tym, aby wziąć grudkę składającą się z milionów płatków grafenu, rozpleść ją na pojedyncze plastry i zlepić w taką „pianę”, a potem jeszcze wprowadzić do niej heteroatomy. My tę pianę nazwaliśmy różami, bo czasami przypomina pąk tego kwiatu.
„Wyhodowanie” róży to jednak dopiero połowa sukcesu. Trzeba sprawić, by ona „zakwitła”.
