Takie odkrycia zmienią świat. Współpraca naukowców z Centrum Zaawansowanych Technologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu z badaczami z Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie oraz Uniwersytetu w Strasburgu pozwoliła dokonać przełomu w dziedzinie magazynowania energii. A wszystkiemu ,,winne” fusy od kawy i ekipa badawcza pod kierunkiem prof. Artura Ciesielskiego.
Dwa lata temu w rozmowie z prof. Ciesielskim opisywaliśmy m.in. fascynujący projekt o nazwie Caffeine, na który badacze uzyskali grant z NCN o wysokości 2,5 mln zł. Teraz przyszedł czas na żniwa, a efektem będzie seria publikacji w czasopismach naukowych (obecnie w recenzji).
Miliony ton fusów rocznie
– To jest nasza odpowiedź na globalny niedobór surowców takich jak lit i naturalny grafit. Zamiast polegać na trudno dostępnych materiałach, sięgnęliśmy po to, co jest pod ręką i zwykle się marnuje. Okazuje się bowiem, że kawowe fusy po odpowiedniej obróbce chemicznej i termicznej mogą stać się cennym surowcem wykazującym dużą porowatość – mówi szef grupy badawczej.
Prof. Ciesielski, opisując proces badawczy, uchylił rąbka naukowej tajemnicy, przedstawiając sposób uzyskania pozytywnego rezultatu.
– Codziennie na świecie wypijamy miliardy filiżanek kawy. Według Międzynarodowej Organizacji Kawy po jej zaparzeniu powstaje każdego roku ok. 7 mln ton suchych fusów, które najczęściej trafiają po prostu do śmieci. My, najprościej mówiąc, zamieniamy kawowe resztki w węgiel aktywny do superkondensatorów hybrydowych oraz jako katalizator w bateriach cynkowo-powietrznych. Superkondensator hybrydowy łączy w jednym ogniwie elektrodę typową dla baterii, czyli metaliczny cynk, z elektrodą typową dla superkondensatora, czyli naszym węglem z kawy. Dzięki temu urządzenie może zgromadzić dużo energii, a jednocześnie bardzo szybko ją oddawać.
Dlaczego cynk, a nie lit?
Większość dzisiejszych baterii, od tych z telefonów po te z samochodów elektrycznych, opiera się na licie. Takie ogniwa są wydajne, ale drogie, a ich łatwopalne elektrolity bywają niebezpieczne. Wiele z nich zawiera też kobalt, którego ponad 70% światowego wydobycia pochodzi z Demokratycznej Republiki Konga. Organizacje praw człowieka od lat alarmują, że przy jego wydobyciu dochodzi do pracy dzieci i pracy przymusowej. Coraz większą uwagę przyciągają więc urządzenia oparte na cynku. Jest on tani, powszechnie dostępny, a baterie z nim mogą działać z elektrolitem na bazie wody, co czyni je bezpieczniejszymi i bardziej przyjaznymi dla środowiska. Nie wymagają też kobaltu. Aby jednak dobrze działały, potrzebują odpowiednich elektrod, czyli części, w których gromadzi się ładunek.
Pora na pory
– Doskonałym materiałem na takie elektrody jest węgiel aktywny, czyli węgiel przypominający gąbkę, pełną maleńkich porów. Im lepiej zaprojektowane są te pory, tym więcej jonów może się w nich zmieścić i tym sprawniej urządzenie gromadzi energię. Kawa świetnie nadaje się na surowiec, bo zawiera dużo węgla oraz naturalnie występujące w niej azot i tlen, które poprawiają właściwości gotowego materiału – dodaje prof. Artur Ciesielski.
Badacze UAM postanowili sprawdzić coś, co dotąd umykało uwadze: czy ma znaczenie, w jakim stanie jest kawa, z której robimy węgiel. Porównali trzy surowce: surowe ziarna kawy, fusy po zaparzeniu oraz fusy dodatkowo dokładnie wypłukane. Każdy z nich zmieszano z chlorkiem cynku i wypalono w temperaturze 800°C bez dostępu tlenu. W ten sposób kawa zamieniła się w porowaty węgiel.
Jeden gram o powierzchni trzech kortów
– Najlepsze okazały się właśnie fusy po zaparzeniu. Podczas parzenia z kawy wypłukiwane są m.in. kofeina i kwasy chlorogenowe, co „otwiera” strukturę materiału i ułatwia powstawanie porów. Jeden gram takiego węgla ma powierzchnię wewnętrzną ok. 885 m², czyli większą niż trzy korty tenisowe – mówi naukowiec. – Co ciekawe, dodatkowe płukanie fusów niczego nie poprawiło, a nawet lekko pogorszyło wyniki. To dobra wiadomość: do produkcji wystarczą zwykłe fusy prosto z ekspresu, co upraszcza i obniża koszty całego procesu – uzupełnia.
Kawa lepsza od platyny
Jak dowodzi szef zespołu badawczego, węgiel z fusów przetestowano w urządzeniach dwóch typów. Te pierwsze to cynkowe superkondensatory hybrydowe, które potrafią bardzo szybko się ładować i oddawać energię. Materiał z kawy wykazał się dużą zdolnością gromadzenia ładunku, a po 10 000 cykli ładowania i rozładowania zachował aż 97% początkowej wydajności. Co istotne, wypadł lepiej niż komercyjny węgiel aktywny, mimo że ten ma prawie dwukrotnie większą powierzchnię. Pokazuje to, że liczy się nie tylko ilość porów, ale przede wszystkim ich rozmiar, układ i chemia powierzchni.
Drugim testowanym materiałem były baterie cynkowo-powietrzne, które czerpią tlen z otoczenia. Zwykle wykorzystuje się w nich drogi katalizator z platyny. Katalizator z kawy nie tylko dorównał platynie, ale ją przewyższył: osiągnął moc 105 mW/cm² wobec 64 mW/cm² dla platyny i działał stabilniej w długotrwałej pracy.
Energia z odpadów
– Badanie pokazuje, że odpad, który codziennie wyrzucamy, może stać się cennym surowcem dla bezpiecznych, tanich i ekologicznych magazynów energii – wyjaśnia profesor. – To przykład gospodarki obiegu zamkniętego w praktyce: poranna kawa najpierw daje energię nam, a potem może zasilać urządzenia przyszłości.
Ramka
Prof. Artur Ciesielski kieruje Laboratorium Materiałów Hybrydowych w Centrum Zaawansowanych Technologii UAM. Jest dwukrotnym laureatem nagrody Wybitny Polak we Francji, laureatem fundacji Świętego Tomasza na najlepszą pracę doktorską oraz laureatem Catalán-Sabatier Award (2022), przyznawanej wspólnie przez Hiszpańskie Królewskie Towarzystwo Chemiczne (RSEQ) i Francuskie Towarzystwo Chemiczne (SCF). Jest też dyrektorem ds. badań w instytucie ISIS w Strasburgu.