Z baterii odzyskamy nie tylko surowce, ale też energię i wodór. 1,5 mln euro grantu dla prof. Anny Siekierki

Dr hab. inż. Anna Siekierka, prof. uczelni z Wydziału Chemicznego Politechniki Wrocławskiej, zdobyła prestiżowy grant przyznawany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. Jej wniosek wybrano spośród ponad 4 tys. zgłoszeń z całej Europy. Badaczka zajmie się projektem „ReHeal4waste”, dążąc do wydzielania cennych surowców z roztworów ze zużytych baterii, przy jednoczesnym odzysku energii i produkcji wodoru.

Projekt prof. Anny Siekierki dotyczy recyklingu baterii, a konkretnie separowania cennych surowców z roztworu, który powstaje po przeróbce hydrometalurgicznej zużytych baterii.

Takie roztwory są mieszaniną kationów różnych metali, m.in. litu, kobaltu, niklu, manganu, miedzi czy żelaza. Wiele z nich należy do tzw. strategicznych surowców krytycznych, czyli takich, których zasoby są ograniczone, a popyt na nie rośnie, jako że ich wykorzystanie jest kluczowe dla gospodarki i naszego codziennego życia. Stosujemy je np. w produkcji komponentów elektronicznych, pojazdów elektrycznych, samolotów, telefonów komórkowych czy w medycynie. Mieszanina tych kationów jest trudna do rozdzielenia, ale gra jest warta świeczki ze względu na wysoką zawartość cennych surowców i konieczność szukania alternatyw dla pozyskiwania ich w kopalniach. Dla porównania w jednej baterii jest od 5 do 7% litu, podczas gdy w wodzie solankowej, jedynym potencjalnym źródle litu w naszym kraju, to dziesiętne części procenta.

Międzynarodowa organizacja Transport & Environment wyliczyła nawet (dane z grudnia 2024 r.), że zużyte baterie i produkty odpadowe z europejskich fabryk baterii samochodowych – zrecyklingowane – mogłyby zaspokoić 14% całego zapotrzebowania na lit, 16% na nikiel, 17% na mangan i jedną czwartą zapotrzebowania na kobalt w produkcji takich akumulatorów – i to już do 2030 r.

– Oczywiście w przemyśle istnieją już metody separacji metali ze zużytych baterii i akumulatorów, ale nadal trwają poszukiwania technologii, które będą bardziej przyjazne dla środowiska, a jednocześnie ekonomiczne. Tym bardziej, że produkcja samochodów elektrycznych wzrasta, a zatem zwiększać się będzie także liczba zużytych akumulatorów. Z czasem problem ich zagospodarowania będzie się powiększał. Trzeba więc potraktować je nie jako kolejny odpad, ale źródło surowców – mówi prof. Anna Siekierka.

Niepozorne membrany o dużym potencjale

Sednem projektu prof. Siekierki są membrany kationowymienne – niepozornie wyglądające polimerowe struktury, odpowiednio sfunkcjonalizowane. Mają grubość kartki papieru i mogą przypominać kawałek folii lub kożuch, jaki tworzy się na kakao. Ich forma jest dość skromna, jednak potencjał ogromny. Zadaniem grupy naukowców, jaką stworzy badaczka, będzie opracowanie takich membran, które będą transportować tylko kationy konkretnych metali, np. kobaltu, niklu czy manganu, czyli właśnie separować je z wieloskładnikowego roztworu ze zużytych baterii. Co istotne, takie membrany będą wielokrotnego użytku (z czasem użycia docelowo minimum 2 lat, a maksymalnie do 5 lat – tak aby ich wykorzystanie było ekonomicznie uzasadnione).

Badacze skonstruują odpowiednio zaprojektowany stos membranowy, w którym będą przeprowadzać odwróconą elektrodializę (ang. reverse electrodialysis – RED). Do generowania energii potrzebnej do zasilania procesu wykorzystają różnicę potencjałów elektrycznych między elektrodami zewnętrznymi, która powstaje w czasie mieszania dwóch roztworów o różnym zasoleniu – czyli roztworu ze zużytych baterii i tzw. permeatu (kwasu o niskim stężeniu). Dodatkowym efektem całego procesu będzie produkcja wodoru i tlenu.

5 lat badań

– Nasz projekt to bardzo wymagające badania podstawowe. Będziemy opracowywać m.in. strukturę membran i sposób ich wytwarzania, a zatem pracować nad związkami chemicznymi potrzebnymi do ich powstania, oraz określać, w jakich warunkach będą ulegać degradacji czy modelować przepływy między membranami. Będziemy też oczywiście pracować nad wydajnością samego procesu – zapowiada prof. Anna Siekierka.

Do swojego zespołu prof. Siekierka zatrudni fizyka i chemika organika. Projekt będzie też okazją do realizowania w jego ramach tematów prac doktorskich, a doświadczenie i umiejętności będą przy nim zdobywać również studenci.

Badania potrwają 5 lat, a ich efektem będzie m.in. opracowana procedura separacji kationów metalu z roztworu, biblioteka informacji na temat związków wykorzystywanych do produkcji membran (w kontekście ich selektywności) oraz kształtów prowadzenia strumieni w stosie membranowym. To szczegółowe informacje, które pozwolą prowadzić kolejne badania zmierzające w przyszłości do komercjalizacji takiego rozwiązania.

O grancie

ERC Starting Grant to jeden z najbardziej prestiżowych międzynarodowych programów grantowych. O finansowanie swoich badań mogą ubiegać się w nim młodzi naukowcy (od 2 do 7 lat po uzyskaniu doktoratu) z wyróżniającym ich dorobkiem i pomysłem na własny ambitny projekt naukowy.

W tym roku Europejska Rada ds. Badań Naukowych dostała ponad 4 tys. zgłoszeń od naukowców z całego kontynentu. Granty przyznała 478 osobom. Wśród laureatów – po raz drugi w historii – znalazła się badaczka z Politechniki Wrocławskiej.

Prof. Annie Siekierce przyznano 1,5 mln euro na projekt „Reverse salinity energy harvesting-assisted electromembrane system for metal ion fractionation and hydrogen production from battery waste” (o akronimie „ReHeal4waste”). Pierwszym laureatem z PWr był dr inż. Łukasz Sterczewski w 2023 r.

Więcej o swoich badaniach prof. Siekierka opowiada w audycji „Na synapsach”:

Źródło: Politechnika Wrocławska

Czytaj także: Pierwiastki krytyczne dla technologii