Nové efektivnější technologie se snaží nasytit věčný hlad po energiích. Inovace se nevyhýbají bateriím a jejich součástem a pochopitelně ani solárním článkům. Uhlík soupeří s křemíkem i dalšími materiály, řada postupů se inspiruje procesy probíhajícími v živé přírodě.
Faktem je, že první prakticky použitelná baterie (Voltova) se objevila asi před 200 lety, a posuzováno optikou jiných oborů je pokrok v této oblasti dost pomalý. Požadavky na elektrochemické články jsou do značné míry protichůdné – ať už jde o kapacitu, rychlost, cenu či bezpečnost baterií – jasné ale je, že podobné komplikace se týkají prakticky všech technologií.
Elektroda z křemíku…
Již řadu let se vědci snaží vylepšit současné lithiové baterie změnou materiálu, především uvažují, že by anodu namísto z uhlíku vyrobili z křemíku. Ten teoreticky umožňuje asi 10krát zvýšit kapacitu; problémem však zůstává, že dosavadní křemíkové elektrody bývají mechanicky i chemicky neodolné. Křemík má tendenci reagovat s dalšími složkami elektrolytu, a na jeho povrchu se přitom tvoří nerozpustná vrstva, což komplikuje dobíjení článku. V důsledku reakcí bude anoda měnit svou velikost doslova sem a tam, čímž se naruší její mechanická pevnost (tento proces se označuje jako dekrepitace) a po několika cyklech se elektroda rozpadne.
Tým, v jehož čele stál Yi Cui ze Stanfordovy univerzity, nedávno přišel s novým nadějným postupem. Inovovaná křemíková nanostruktura by mohla vydržet až 6 000 nabíjecích cyklů, což je postačující pro autobaterie, napájení mobilních telefonů i další elektroniky. Yi Cui a jeho kolegové navrhli křemíkovou elektrodu v dvouplášťové podobě a potáhli ji ochrannou vrstvou oxidu křemičitého. Ten elektrodu chrání, a protože je to pevný keramický materiál, brání i jejímu mechanickému roztahování. Naopak ionty lithia jsou dostatečně malé, aby stěnou z oxidu křemičitého pronikly. Eventuální vedlejší produkty reakcí způsobují bobtnání pouze dovnitř do dutého válce. Životnost je pak dána pouze jeho zaplněním.
I když základním cílem výzkumu bylo nahradit uhlík křemíkem, chemická výroba elektrody začíná právě z uhlíku. (Nano)vlákna uhlíkatých polymerů se zahřívají bez přístupu vzduchu, až se látka rozpadne a zbudou pouze uhlíková vlákna. Tato kostra se pak natře křemíkem, který následně představuje vnější stranu trubičky. Poté následuje další zahřívání – tentokrát se vzduchem –, během kterého uhlík uvnitř zareaguje, z čehož vznikne dutá trubička. Na vnější straně pak křemík zoxiduje na oxid křemičitý, který tvoří základ budoucí ochranné vrstvy.
Objev roku
Silicen, monomolekulární vrstva křemíku, je zmiňován jako jeden z přelomových objevů roku 2012.
Obdobně motivovaným projektem se zabývá tým výzkumníků z Rice University a firmy Lockheed Martin. Ti navrhli elektrodu z porézního křemíku, která vydrží asi 600 nabíjecích cyklů; to je sice méně, než nabízejí současné grafitové elektrody, nicméně když se přepočítá celková kapacita na hmotnost/životnost, je už asi třikrát větší. Kapacitnější baterie má smysl zejména v oblasti elektromobilů.
Na rozdíl od předcházejícího projektu by zde výrobní postup měl být o hodně jednodušší. V podstatě stačí použít porézní křemík. Oproti elektrodě z pevného materiálu totiž získáme mnohem větší aktivní povrch. Jak toho konkrétně docílit? Drcení křemíku se už zkoušelo, jiný přístup využíval toho, že se do plátků křemíku vrtají díry anebo se zdrsňuje povrch. Nejnovější postup obě techniky kombinuje, nejdřív se připraví struktura připomínající houbu, která se pak rozemele na porézní prášek. Ten se následně ještě smíchá s pojivem.
…a solární článek z uhlíku
Uhlík a křemík si v současných technologiích opravdu přímo konkurují. Sotva byla udělena Nobelova cena za objev grafenu, objevil se i silicen – monomolekulární vrstva křemíku. Právě silicen je zmiňován jako jeden z přelomových objevů roku 2012.
Co se týče solárních článků, motivace pro nasazení uhlíku namísto křemíku je zde především technologická. Na rozdíl od současných pevných panelů z materiálů na bázi křemíku lze uhlíkové komponenty nanášet v podobě roztoku (tj. lze třeba natírat auta, okna domů apod.). Při kombinaci s dalšími uhlíkovými součástmi není třeba používat ITO (oxid india a cínu), což výrobu prodražuje. Cena india je poměrně vysoká i kvůli velké poptávce po dotykových displejích. Uhlíkové materiály vydrží funkční na ohebných površích a mají také vyšší teplotní stabilitu (do cca 600 °C).
Obamovy miliardy
Administrativa amerického prezidenta Obamy investovala do vývoje nových technologií pro baterie a podobné systémy už zhruba dvě miliardy dolarů. Tato politika, která si dokonce vysloužila označení „projekt mini-Manhattan“, se zaštiťuje především podporou zelené ekonomiky, ale i bezpečností (míněno nikoliv národní, ale uživatelů). Samozřejmě i zde pak platí příslušné výhrady.
První kompletně uhlíkový fotovoltaický článek nedávno postavili (opět) na univerzitě ve Stanfordu. Výzkumný tým, v jehož čele stála profesorka Zhenan Baoová, použil jako základní materiál pro elektrody grafen. Fotoaktivní vrstva a vodič tak dosahují průměru jednoho nanometru. Nicméně i tato technika má – přinejmenším prozatím – jeden zásadní problém. Uhlík absorbuje sluneční energii pouze v infračervené části spektra, která je energeticky chudší. Účinnost využití sluneční energie je proto jen okolo 1 procenta, což je proti současným technologiím ekonomicky nekonkurenceschopné. Pokud se využitelný rozsah spektra nezvýší, přicházelo by v úvahu nasazovat podobné články jen v extrémních podmínkách, kde se nehodí křemíkové.
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU