Baterie ze slané vody, český vynález slibuje revoluci ve skladování elektřiny
Skladování přebytečné elektřiny vyrobené fotovoltaickými elektrárnami (FVE) je největší problém, který se stále řeší. Jedni slibují, že právě jejich baterie jsou nejlepší a právě s nimi se pořízení FVE vyplatí, jiní varují, že je to nesmysl, a že FVE má význam pouze ve smyslu maximální spotřeby vyrobené elektřiny v místě výroby. Nabízí se však neobvyklé řešení, které má ukládání elektřiny nejen zefektivnit a zlevnit, ale také učinit šetrnějším vůči životnímu prostředí.
Baterie fungující na principu slané vody
Čeští vědci vyvinuli baterii skladující vyrobenou elektřinu na principu slané vody. A první prototyp již podává, dle autorů, oslnivé výkony. Oč jde? Tato bezpečná a levná baterie funguje na bázi slané vody, zinku a uhlíku (resp. grafitu). A ukázalo se, že prototyp nevykazuje po prvních pěti stech nabíjecích cyklech téměř žádný pokles kapacity. Otevírá se tak cesta levnému a bezpečnému skladování energie.
Současná fotovoltaika a FVE totiž nemají problém energii vyrobit, nýbrž ji efektivně a levně uskladnit, případně transportovat. Na novém unikátním řešení pracují odborníci ze dvou institucí Akademie věd ČR: Fyzikálního ústavu a Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského.
Zprvu šlo o výzkum grafenu
Slaná voda, zinek a grafit jsou poměrně levné a snadno dostupné materiály, není však pravdou, že by bylo možné si takové zařízení jednoduše sestavit doma na koleni. Již jen za vytvořením prvního prototypu stojí roky výzkumu a práce. A vůbec to nezačalo rovnou jako vývoj nové baterie, ale jako výzkum dvourozměrných materiálů, v tomto případě grafenu, čili tenké vrstvy grafitu (uhlíku) o šířce jednoho atomu. Ovšem způsobů uspořádání grafenu existuje více, například i grafen trojrozměrný. Pokud totiž vědci naskládají na sebe jednotlivé, jeden atom široké vrstvy grafenu, interakce mezi nimi změní vlastnosti celého materiálu.
Hlavním autorem nové baterie je Jiří Červenka z Fyzikálního ústavu AV ČR. A jeho výzkum se soustředí ještě na další, odlišný typ hmoty. Totiž na na poddruh trojrozměrného grafenu, který si zachovává specifické vlastnosti jednoatomární vrstvy grafenu. Materiál svou porézní strukturou trochu připomíná houbu. A jelikož jsou mezi jeho atomy velké rozestupy, je jeho povrch nebývale velký. A právě na něm mohou probíhat reakce.
A jak porézní grafen souvisí se zdroji energie? Každá moderní baterie je založena na elektrodách, na kterých se odehrávají elektrochemické reakce. Logicky se tak pro jejich výrobu hledají materiály s co největším účinným povrchem, aby na něm mohlo probíhat naráz co nejvíce reakcí. Čím větší je povrch, tím vyšší má baterie kapacitu. A právě grafen se ukázal být ideálním materiálem.
Nezbytný elektrolyt
Kromě elektrod se baterie skládají také z elektrolytu, tedy kapaliny, která díky v ní obsaženým iontům vede mezi jednotlivými elektrodami elektrický proud. Vědci z týmu Jiřího Červenky pak definovali požadavky na nové baterie. Z rovnice jim vyplynula potřeba baterií ekonomických, ekologicky šetrných, bezpečných a pokud možno vyrobených z přírodních zdrojů. Získali bychom tak levnou, dostupnou a odbouratelnou technologii.
Výhercem výběrového řízení se stala voda, tedy roztok s velkým množstvím chaotropní soli chloristanu zinečnatého. Chaotropní sůl svým působením narušuje strukturu vody a díky tomu baterie nabízí vyšší napětí. Prostě zacílili na chloristany. A právě na výzkum elektrochemických procesů se zaměřil tým Otakara Franka z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. Tedy na výzkum elektrochemických procesů, ke kterým dochází mezi elektrolytem a grafenem.
Baterie, která nikdy nevybuchne
Navíc byl vyvinut prototyp baterie, která nikdy nevybouchne. Kapacita baterie je navíc v mnoha ohledech srovnatelná s nikl-metal hydridovými bateriemi (běžné tužkové baterie). Přitom se potvrdilo, že nový prototyp baterie má velmi dobrou výdrž. Po pěti stech cyklech nabití a vybití její výkonnost nijak citelně neklesla.
Zajímavé je, že se nový objev vlastně vrací až ke kořenům skladování energie. Historicky první baterie Alessandra Volta z konce 18. století také fungovala na bázi vody. Až nyní se však k této historii vracíme v praxi. A hlavním důvodem je kromě jiného právě i bezpečnost. Současné lithium-iontové baterie totiž obsahují velmi hořlavé organické elektrolyty a sloučeniny lithia, proto mohou v extrémních případech i explodovat. Což se však baterii na principu vody nemůže stát.
Omezením je vysoká hmotnost baterie
Stejně jako každý jiný typ baterií má však nová baterie i svá omezení. Nejvýznamnějším je fakt, že se prostě nehodí pro malá a mobilní zařízení. Množství energie, které baterie dovede uskladnit, je v poměru k její hmotnosti stále relativně malé. V zařízeních, u kterých rozhoduje hmotnost (chytré telefony, hodinky, tablety, notebooky, ale i elektromobily) využít novou baterii na bázi mořské vody nelze. Pokud však hmotnost baterie není podstatným kritériem a zásadním požadavkem je naopak udržitelnost, co nejvyšší kapacita a co nejnižší cena, je řešením skvělým! A právě skladování energie vyrobené FVE je skvělou příležitostí.
Vývoj je stále na začátku
Vývoj je však stále na začátku. Slibný prototyp teprve ukazuje cestu, komerční využití je však ještě hodně daleko. Je třeba otestovat, jak by se nová baterie vyráběla průmyslově. Navíc je třeba testovat i ekologické a ekonomické kvality. Přitom v současnosti neexistují komerční způsoby výroby porézního grafenu. Alespoň ne v takové kvalitě, v jaké jej dovedou syntetizovat ve Fyzikálním ústavu AV ČR.
Další vývoj bude pokračovat zkoumáním samotných elektrod. A je dokonce možné, že se najdou i vhodnější materiály než grafit. Hlavními prioritami však zůstanou cena, stabilita a bezpečnost.
Mgr. Frank Otakar Ph.D.
jh-inst.cas.cz
