Člověk stále nepřekonal přírodu s jejím geniálním vynálezem uložení energie do uhlíkových vazeb ropy, uhlí nebo dřeva. Při používání přenosných elektronických zařízení od notebooků a telefonů přes drony až po umělá srdce tak zůstává odkázaný na energii získanou z baterií.
Naše touha po elektromobilu s delším dojezdem nebo notebooku, co nejméně závislém na napájecím konektoru, pohání práci vědeckých týmů po celém světě a pomalu nemine týden, kdy by nás laboratoře neseznámily s nejnovějšími výsledky a ujištěním, že produkt fascinujících vlastností bude brzy na trhu. Některé novinky jsou možná slepou uličkou, jiné v sobě mohou skrývat potenciál, který ukáže čas.
Kam směřuje vývoj baterií? Nové materiály, recyklace i odklon od lithia
Lithium-iontové baterie
Od 90. let do současnosti jsou nejen ve spotřební elektronice využívány lithium-iontové (Li-Ion) baterie s vysokou hustotou energie na jednotku objemu a dlouhou životností. Během procesu vybíjení putují lithiové ionty, jejichž zdrojem je lithiová sůl, elektrolytem od záporné elektrody ke kladné a během nabíjení naopak.
Přes řadu výborných vlastností (lithium je lehké a účinně koncentruje elektrický náboj) mají Li-Ion baterie svá slabá místa, například ohrožují zařízení požárem nebo výbuchem. Prvek je totiž velmi reaktivní. Lithium také při procesu nabíjení tvoří malé krystalky ― dendrity, které se neodstraní během procesu vybíjení a snižují životnost baterie. Vědci intenzivně hledají materiál, který by fungoval jako interfáze a dendrity by zachytil. Perspektivními se jeví organické sloučeniny síry.
První cestou, kudy se výzkumy ubírají, je snaha zdokonalit stávající lithiové baterie: zvýšit jejich výkon a zkrátit proces nabíjení při maximalizaci počtu cyklů nabití a vybití. Jiné laboratoře si pohrávají s myšlenkou lithium zcela opustit a nahradit ho novým, levnějším a bezpečnějším materiálem.
Více energie a vyšší rychlost dobíjení
U Li-Ion baterie je anoda z uhlíku a katoda z oxidu kovu. Vědci z univerzity v Rice vsadili na asfalt. Část uhlíku obsaženého v anodě experimentálně nahradili materiálem na bázi asfaltu a přidali grafenové nanočástice. Baterie se nabíjely 20 krát rychleji než baterie, jejichž anoda byla pouze z uhlíku. Výsledky své práce vědci publikovali v časopise ACS Nano.
Mnoho laboratoří se snaží zvýšit hustotu energie na jednotku objemu baterie. „Budoucnost je růžová“, uvádí server ScienceDaily, stejně jako nová sloučenina, kterou se povedlo připravit týmu vědců z Technické univerzity v Mnichově pomocí mikrovlnného záření. Jedná se o fosfát lithia s obsahem kobaltu, který, je-li součástí katody, dokáže uchovat mnohem více energie než konvenční systémy.
Čím nahradit lithium
Snahou mnoha pracovišť je vyrobit baterie z nejrozšířenějších prvků na zemi: uhlíku, hořčíku nebo hliníku, které jsou zároveň levné a netoxické. Ideálem by se stalo, pokud by nová technologie byla založená i na recyklaci odpadních produktů po jiné průmyslové výrobě. Švýcarská národní laboratoř pro materiálovou vědu a technologii se zaměřila na využití odpadního produktu, který vzniká v průběhu výroby oceli: směsi grafitu a kovového šrotu. Takzvaný „kish“ grafit má povahu studené taveniny a byl s úspěchem použitý pro výrobu katody, kde se kromě výborných parametrů prokázala jeho další užitečná vlastnost: „Kish“ grafit je efektivní při vychytávání objemných chloridových iontů, které vznikají v průběhu nabíjení baterie.
Superkapacitory: budoucí velkosklady energie
Průkopníci nových technologii předpovídají, že dnešní baterie brzy skončí v propadlišti dějin a vysvětlují, že uložení energie do chemických vazeb je málo účinné. Příští baterie, takzvané superkapacitory, by měly účinně shromažďovat elektrický náboj a uvolňovat ho postupně. Superkapacitory, akumulátory s velmi krátkou dobou nabíjení, obsahují vodivé vrstvy a nevodivou vrstvu (dielektrikum), která je odděluje. Materiálem budoucnosti vodivých vrstev se mají stát uhlíkové nanostruktury, které disponují obrovským povrchem a schopností akumulovat náboj.
