Baterie ze slané vody. Příslib levné a bezpečné energetiky budoucnosti

Energetika je pomyslnou Achillovou patou současného světa a dostává se stále více do středu pozornosti odborníků, politiků i široké veřejnosti. Problémem v současnosti není ani tak energii vyrobit. Palčivější otázkou je, jak ji efektivně, levně a bezpečně skladovat, případně transportovat. Naše vyhlídky v tomto směru může zlepšit  baterie na bázi slané vody, kterou vytvořili vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR a Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Základ jejich převratného objevu sestává pouze ze slané vody, zinku a grafitu, což jsou poměrně levné a snadno dostupné materiály. Na první pohled se tak může zdát, že vlastní pokročilé zařízení pro ukládání energie si může kdekdo sestavit doma v kuchyni. Tak snadné to ale není – za prototypem se skrývají léta práce a výzkumu. Příběh vodné baterie nezačíná vidinou nového technologického řešení, ale základním výzkumem dvourozměrných materiálů, v tomto případě grafenu.

Většina poučených čtenářů si grafen představí jako tenkou vrstvu grafitu (uhlíku) o šířce jednoho atomu. Právě tak vědci tento v současnosti intenzivně studovaný materiál prezentují nejčastěji. Způsobů uspořádání grafenu ale existuje více. Například grafen trojrozměrný. Jestliže jednotlivé, jeden atom široké vrstvy vědci pečlivě naskládají na sebe, interakce mezi nimi změní vlastnosti celého materiálu. Výzkum hlavního autora nové baterie Jiřího Červenky z Fyzikálního ústavu AV ČR se nicméně soustředí ještě na další, odlišný typ hmoty, a sice na poddruh trojrozměrného grafenu, který si specifické vlastnosti jednoatomární vrstvy zachovává. „Náš materiál svou porézní strukturou trochu připomíná houbu, a protože jsou mezi jeho atomy velké rozestupy, má nebývale velký povrch, na kterém mohou probíhat reakce,“ vysvětluje fyzik.

Obr. Jiří Červenka ve Fyzikálním ústavu AV ČR vede vlastní výzkumnou skupinu materiálů a systémů v nanoměřítku. V jeho hledáčku jsou uhlíkové 2D materiály, jako je grafen nebo třeba nanokřemíkové polovodiče.

Jak ale tento 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 reakcí probíhat co nejvíce najednou. Čím větší totiž povrch je, tím vyšší má baterie obvykle kapacitu. A tak se před pěti lety, když vědci začali uvažovat o možnostech využít tyto druhy materiálů při stavbě pokročilých baterií, porézní grafen ukázal jako ideální kandidát.

Objev postavený na vodě
Kromě elektrod se baterie skládají také z elektrolytu – kapaliny, která díky v ní obsaženým iontům vede mezi jednotlivými elektrodami proud. Při vývoji nových úložišť energie výzkumníci testují různé typy materiálů a roztoků, dokud nenaleznou tu správnou kombinaci. Takový je obvyklý postup. Vědci z týmu Jiřího Červenky ale zvolili poněkud odlišnou strategii a podívali se na problém z obecnějšího hlediska. Nejprve se zamysleli nad budoucností baterií. Jaké nároky by měly splňovat zdroje energie zítřka? Jaké by měly mít vlastnosti?

Měly by být ekonomické, ekologicky šetrné, bezpečné a pokud možno vyrobené z přírodních zdrojů. Technologie na nich postavená by tak měla zůstat levná, dostupná a odbouratelná i v případě, že by měla úspěch a začala se masově používat. Do následného „výběrového řízení“ tak zařadili pouze takové materiály, které tyto požadavky splňují.

Výhercem výběru se stala voda, přesněji její roztok s velkým množstvím chaotropní soli chloristanu zinečnatého. Chaotropní sůl svým působením narušuje strukturu vody a díky tomu poskytuje baterie vyšší napětí. „Uvažovali jsme nad jinými druhy chemických sloučenin, ale nakonec se ukázalo, že chloristany představují v odvětví baterií neprobádanou půdu. Takže jsme se zaměřili právě na ně,“ popisuje Otakar Frank z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, jehož tým se zaměřil na výzkum elektrochemických procesů, k nimž dochází mezi elektrolytem a grafenem. Vědci sice zpočátku experimentovali také s jinými typy solí, například na bázi hliníku, ale z nich vytvořené roztoky byly velmi kyselé a korozivní, takže se v nich elektrody rychle rozkládaly. Nalezením optimální kombinace grafenových elektrod a solného roztoku se vědcům nakonec podařilo odstranit nejzásadnější nevýhodu vodných baterií, která bránila jejich rozmachu v minulosti: nízkou kapacitu.

Baterie, která nevybouchne
Kapacita se u baterií určuje poměrem k jejich hmotnosti, a proto je její přesnější stanovení u tak malého prototypu jen velmi obtížné. Výsledky testů ale doposud vycházejí slibně, kapacita je v mnoha ohledech srovnatelná s nikl-metal hydridovými bateriemi, které si můžeme pořídit v obchodě v podobě známých „tužkovek“. Navíc se potvrdilo, že baterie má velmi dobrou výdrž. Po pěti stech cyklech nabití a vybití její výkonnost nijak citelně neklesá.

Dalo by se v jistém smyslu říct, že se objev vrací k samotným kořenům skladování energie. Historicky první baterie, kterou vyrobil Alessandro Volta již na konci 18. století, totiž fungovala také na bázi vody. Výzkum těchto technologií však zažívá boom až v posledních deseti letech. Pohání ho překotný rozvoj mobility, která klade čím dál striktnější požadavky na výkon a zároveň upřednostňuje dřív opomíjenou bezpečnost. Dnešní typické lithium-iontové baterie, jež vedle notebooků a jiné přenosné elektroniky pohánějí také elektrokola, obsahují velmi hořlavé organické elektrolyty a sloučeniny lithia a mohou v extrémních případech explodovat.

Vodná baterie by tak mohla vyhovět novým nárokům, které na tyto technologie klademe: je výkonná, ekologická a nevybuchuje. Stejně jako každý jiný typ baterií má však i ona řadu omezení. To nejvýznamnější pramení z faktu, že se nehodí pro malá a mobilní zařízení. Množství energie, které baterie dokáže uskladnit, je v poměru k její hmotnosti stále relativně malé. Tam, kde rozhoduje hmotnost, například v našich chytrých telefonech, hodinkách či elektromobilech, nová vodná baterie využití nenajde. Odlišná je však situace v případech, kde hmotnost podstatná není a zásadním požadavkem je naopak udržitelnost, co nejvyšší kapacita a co nejnižší cena. Odvětvím, kde by objev českých vědců mohl zazářit, by tak mohlo být skladování energie u fotovoltaických elektráren či ve stacionárních bateriových systémech.

Malý prototyp, velký potenciál
Vývoj bezpečné a levné baterie je však stále na samém počátku. Slibný prototyp naznačuje cestu, transfer směrem do komerčního prostředí je však dlouhý a náročný. „Jako vědci jsme naši baterii vyrobili poněkud ‚na koleni‘. Do budoucna tedy chceme otestovat, jak by se dala vyrábět průmyslově a zda si udrží své ekologické a ekonomické kvality,“ uvažuje Jiří Červenka. Jako určitá překážka se může jevit i zmíněný porézní grafen. V laboratoři jej odborníci pro výzkum připraví snadno, ovšem mechanismy pro komerční produkci v současnosti neexistují. Alespoň ne v kvalitě, jakou dokážou syntetizovat ve Fyzikálním ústavu AV ČR.

Taková překážka ale není nepřekonatelná. Stejně jako vývoj možností, jak novou baterii přivést do komerční výroby, nezpomaluje ani její základní elektrochemický výzkum, kterému se věnují v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. Ten se dosud soustředil na analýzu vodného roztoku v baterii. „Nyní je potřeba blíže prozkoumat samotné elektrody,“ naznačuje další postup Otakar Frank. „Dosud jsme používali grafit, ale je docela dobře možné, že najdeme ještě další a vhodnější materiály. Kombinací je nepřeberné množství, ale jejich cena, stabilita a bezpečnost jsou stále prioritou.“

Potenciál dnes již patentované technologie je velký a řada firem o ni projevila zájem. „Šlo především o společnosti, které využívají baterie jako záložní zdroj k solárním článkům nebo k zabezpečení svých výrobních procesů,“ hodnotí reakci komerčního sektoru Jiří Červenka. „V té fázi, kdy bychom jim mohli hotovou technologii nabídnout, ale ještě nejsme.“

Odezva firem nicméně jasně ukazuje, jak velký je po podobných řešeních hlad a poptávka. Světové prvenství ve výzkumu a produkci těchto technologií drží Čína. V Evropě však najdeme řadu zemí, které baterie vyrábějí také, třeba Polsko nebo Německo. Objevitelé české vodné baterie by si přáli, aby jejich vynález zůstal v českých rukách, a rádi by proto jeho produkci přesunuli do tuzemské firmy.

Energie pro jistější budoucnost
Zvyšování energetické soběstačnosti je jednou z českých priorit a současná situace na tomto poli poukázala na dlouho opomíjený fakt: kdo má energii v zásobě, je lépe připravený na eventuality budoucnosti. „Efektivní nakládání s energií je jednou z cest, jak můžeme zlepšit nejen naše životní prostředí,“ říká Otakar Frank. „Využívání malých lokalizovaných zdrojů a ukládání přímo na místě je přece smysluplnější než velká množství energie přepravovat na značné vzdálenosti, už kvůli obrovským nárokům na přenosovou soustavu,“ uzavírá.

Rozvíjení možností, kterak můžeme efektivně a smysluplně skladovat energii, ostatně bude jedním z vědeckých témat českého předsednictví v Radě Evropské unie a je také jednou z dlouhodobých priorit výzkumu Akademie věd ČR realizovaného v rámci programu Strategie AV21 Udržitelná energetika. Právě do ní spadá i objev týmu Jiřího Červenky. „Když vidíme všechen technologický pokrok kolem nás, zařízení, která dnes máme, to vše jsou jen šikovné aplikace základního výzkumu,“ připomíná. Objevy tohoto typu mají rozhodující dopad na to, jak bude zítra vypadat a fungovat náš svět i společnost.

Článek najdete v aktuálním vydání časopisu A / Věda a výzkum. Všechna dosavadní čísla jsou k dispozici online na webu AV ČR. (26.8.2022)

Obr. malý: Technologie vodné baterie je v současnosti ve stádiu prototypu. Ten je malý a nenápadný, ale skrývá mimořádné možnosti.