Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 26 – vyšlo 18. července, ročník 12 (2014) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

26/2014

Nové baterie bez těžkých kovů

Jiřina Scholtzová

Během května 2014 vyšlo hned několik zpráv o úspěších ve vývoji nových akumulátorů, které by měly mít lepší vlastnosti než ty dosavadní, a zároveň by místo těžkých kovů obsahovaly recyklovatelné materiály. Jako velmi nadějné se ukázalo využití uhlíku: První vlaštovkou bylo vyrobení grafenu (informovali jsme o něm v AB 26/2009, AB 38/2010), za který v roce 2010 dostali jeho objevitelé Nobelovu cenu za fyziku. Brzy po jeho objevení bylo prokázáno, že lithiovéLithium – nejlehčí ze skupiny alkalických kovů, značně reaktivní, stříbřitě lesklého vzhledu. Jedná se o lehký a měkký kov, který lze krájet nožem. Dobře vede elektrický proud a teplo. Bylo objeveno roku 1817 švédským chemikem Johannem Arfvedsonem.  baterie s grafenem zvyšují kapacitu a životnost akumulátorů. Novou vlnu zájmu médií způsobila firma Power Japan Plus, když oznámila vyrobení nového uhlíkového akumulátoru, který svými vlastnostmi předčí ty klasické a obsahuje vedle elektrolytu pouze uhlíkUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších.  získaný z bavlny. Navíc ho firma slibuje nasadit na současné technologie výroby a již brzy vyrábět ve velkém. Univerzita v Manchesteru na sebe nedala dlouho čekat a oznámila, že vyvíjí nový vysokokapacitní grafenový superkondenzátor. Dočkali jsme se konečně průlomu ve výrobě ekologických baterií?

Uhlík má mnoho podob. Zdroj: Reviews in Mineralogy.

Uhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. Grafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektro­tech­nice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. Grafit – forma uhlíku s atomy tvořícími, podobně jako led, šestiúhelníkovou krystalovou mříž. Atomy v jedné rovině jsou propojeny v pravidelné šestiúhelníky do tvaru připomínajícího včelí plástve. Tyto roviny jsou pak řazeny nad sebou tak, že tři uzlové body (atomy) sousedních vrstev krystalové mříže jsou právě nad geometrickými středy šestiúhelníků sousední vrstvy a tři jsou v zákrytu. Vzdálenost mezi vrstvami je 0,336 nm, strana šestiúhelníku 0,2464 nm, hustota grafitu je 2,26 g/cm3. Fullereny – sférické struktury tvořené atomy uhlíku, rozměr této obří molekuly je kolem 0,7 nm. Nejdůležitější z fullerenů jsou C60, C50 a C70 obsahujících 60, 50 a 70 atomů uhlíku. Fullereny za normálních podmínek sublimují při teplotách nad 500 °C. Fullereny jsou pojmenovány po americkém architektu Buck­min­ste­ro­vi Fullerovi, který stavěl kopule podobného tvaru. Za objev fullerenů získali Nobelovu cenu za chemii v roce 1996 Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smalley. Baterie Ryden – nový typ baterie vyvinutý v Japonsku (Power Japan Plus ve spolupráci s Univerzitou v Kjúšú), který má obě elektrody vyrobené z uhlíku a elektrolytem je přírodní vodivá látka. Oproti Li-ion baterii vydrží 3 000 cyklů a nabíjí se dvacetkrát rychleji. Superkondenzátor – perspektivní akumulátor energie, schopný rychle uložit a následně odevzdat velké množství elektrické energie. Je založen na principu elektrochemické dvojvrstvy, která se skládá ze dvou opačně nabitých vrstev, k jejichž nabitému povrchu jsou přitahovány elektrostatickými silami, adsorpčními silami a difúzí ionty opačného náboje ve snaze zneutralizovat povrch elektrody. Superkondenzátor bez problémů snáší opakované nabíjení a vybíjení vysokými proudy, má dlouhou životnost a nevadí mu nízké provozní teploty.

Dobijme si baterie

Pojďme se nejdříve podívat na naše běžně používané baterie. Baterie jsou klíčovou technologií pro rozvoj různých mobilních zařízení. Potřebujeme je všude – od ovladačů k televizím, či našich mobilních mazlíčků, až po pohánění elektromotorů v automobilech. Rozlišujeme mezi třemi základními typy „baterií“:

Akumulátor (přesněji elektrochemický akumulátor) je, jak již bylo řečeno, založen na principu přeměny chemické energie na elektrickou. Jeho základními součástmi jsou kladná a záporná elektroda, elektrolyt, což je vodivá kapalná složka, a separátor, který uvnitř článku zabraňuje elektrickému kontaktu mezi elektrodami opačné polarity a zároveň umožňuje kontakt elektrod s elektrolytem. Vyroben je z materiálu prostupného pro ionty.

Na výrobu elektrod se často používají těžké nebo vzácné kovy. V případě NiCd baterií je to kadmiumKadmium – Cadmium, měkký, lehce tavitelný, toxický kovový prvek. Slouží jako součást různých slitin a k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Vzhledem k jeho toxicitě je jeho praktické využití omezováno na nejnutnější minimum. Kadmium pohlcuje neutrony, proto se kadmiové tyče využívají v některých typech reaktorů k utlumení štěpné reakce. Kadmium bylo objeveno roku 1817 německým chemikem Friedrichem Stohmeyerem. a niklNikl – Niccolum, bílý, feromagnetický, kujný a tažný kov. Vyznačuje se vysokou elektrickou vodivostí. Slouží jako součást různých slitin a k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Předměty ze slitin niklu se podařilo nalézt v Číně a jejich stáří je více než 2 000 let. Nikl byl objeven roku 1751 německým chemikem baronem Axelem Frederikem Cronstedtem., v případě NiMH je to nikl a kovová slitina obsahující nikl, kobaltKobalt – Cobaltum, namodralý, feromagnetický, tvrdý kov. Používá se v metalurgii pro zlepšování vlastností slitin při barvení skla a keramiky a je důležitý i biologicky. Kov, který byl součástí rud využívaných k barvení skla, objevil roku 1735 švédský chemik George Bradnt., manganMangan – Manganum, světle šedý, paramagnetický, tvrdý kov. Používá se v metalurgii jako přísada do různých slitin, katalyzátorů a barevných pigmentů. Mangan objevil roku 1774 švédský chemik Carl W. Scheele. Oxid manganičitý (burel) je znám již od starověku, kdy se používal při výrobě skla. a případně hliníkHliník – Aluminium, velmi lehký kov bělavě šedé barvy, velmi dobrý vodič elektrického proudu, široce používaný v elektrotechnice a ve formě slitin v leteckém průmyslu a mnoha dalších aplikacích. Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem.. No a například autobaterie obsahuje olovoOlovo – Plumbum, těžký toxický kov, který je znám lidstvu již od starověku. Má velmi nízký bod tání a je dobře kujný a odolný vůči korozi. Je součástí barviva – olovnaté běloby, žlutý chroman olovnatý je známý jako chromová žluť. Zvyšuje oktanové číslo paliva. Velmi čistý PbS je citlivým detektorem infračerveného záření a využívá se při výrobě fotografických expozimetrů a fotočlánků.. Je tedy důležité hledat nové materiály a principy. A začíná být zřejmé, kudy se vývoj bude ubírat – budoucnost leží v uhlíku.

Stručně o Li-ion bateriích

Dnes nejvýkonnější baterie jsou lithiové (Li-ion). Anoda je vyrobena z uhlíku, katoda je z kompozitních materiálů obsahujících oxid kovu. Elektrolytem je zde lithiová sůl rozpuštěná v organickém rozpouštědle. Následující obrázek ukazuje schéma této baterie. Pěkný přehled dalších typů akumulátorů, a schémata včetně probíhajících reakcí, najdete na stránkách Battery Assitiation of Japan.

Struktura Li-ion baterie. Zdroj: Battery Assitiation of Japan.

Tyto baterie jsou velmi výkonné, dají se vyrábět v mnoha tvarech, mají vysokou životnost a netrpí přebíjením. Na druhou stranu mají i dost nevýhod: neudrží si svou kapacitu a ztrácí ji hned od vyrobení, jsou vznětlivé a v neposlední řadě je tu problém s úplným vybitím. Pokud se dostane napětí pod určitou mez, tak se již nemusí podařit tuto baterii znovu nabít na provozní hodnoty.

Dvojuhlíkový akumulátor Ryden

Jak jsme se již v úvodu zmínili, společnost Power Japan Plus (PJP) v květnu oznámila, že vyvinula akumulátor, kterému by se dalo říkat ekologický, protože jeho součásti jsou plně recyklovatelné. Šest roků vývoje a spolupráce s Kjúšskou univerzitou ve Fukuoce, přinesl společnosti PJP nejeden patent na tento akumulátor. Akumulátor má anodu i katodu vyrobenou z uhlíku, neobsahuje žádné kovy – těžké ani vzácné – používané v dnešních bateriích, a jako elektrolyt je v něm bezvodá vodivá látka, tzv. iontová kapalina, obsahující lithiové ionty. Výzkum PJP je již tak daleko, že dokáží tento akumulátor vtěsnat do standardizovaného rozměru AA baterií, a tedy mohou začít sériovou výrobu. Samotný název, akumulátor Ryden, je pak odvozen ze jména Raiden, což je v Japonsku bůh hromu, blesku a bouře (rai = 雷 neboli hrom a blesk, den = 電 neboli elektřina, viz slovník).

Podrobnosti k akumulátoru navrženému profesorem Išikarou jsou popsány v patentu a článku [3]. Jako elektrolyt je v něm použit lithium hexafluorofosfát LiPF₆ v kombinaci s bezvodným iontovým rozpouštědlem n-buthyl pyridinium hexafluorofosfátem n-BPPF₆. Akumulátor je nabíjen transportem aniontů PF₆^– z elektrolytu na kladnou elektrodu a iontů Li⁺ na zápornou elektrodu. Vybíjení probíhá opětovným uvolněním těchto aniontů PF₆^– a Li⁺ z kladné resp. záporné elektrody zpět do elektrolytu. Elektrolyt tedy sám o sobě představuje aktivní složku akumulátoru.

Princip dobíjení a vybíjení baterie Ryden: Li⁺ značí lithiové ionty, A⁻ obecné anionty.
Zdroj: Green Car Congress.

Baterie Ryden má velmi slibné parametry: kromě pouzdra neobsahuje žádné kovy ani oxid lithia, jen lithiovou sůl. Není vznětlivá a výbušná jako lithiové baterie. Vydrží několik tisíc cyklů nabití a vybití bez ztráty kapacity, a to i při úplném vybití. Je schopna dodat vyšší výkon než lithiové baterie a dá se nabít zhruba dvacetkrát rychleji. Není nutné ji chladit, protože při reakcích se neuvolňuje teplo. A vypadá to, že její výroba nebude drahá – měla by být ve srovnání s lithiovými bateriemi dokonce levnější.

Profesor Tatsumi Išihara z Kjúšské univerzity představuje novou baterii Ryden. Oproti dosavadním bateriím má řadu nesporných výhod. Zdroj: ExtremeTech.

Ačkoliv se společnost PJP chce ve vývoji uhlíkových akumulátorů zaměřit spíše na elektromobilový průmysl, jako první představila tužkovou baterii a její v mnoha ohledech lepší parametry ve srovnání s dnes nejlepšími Li-ion bateriemi. Těšit se tedy můžeme na využití nejen v automobilovém průmyslu, ale také v domácnostech. Pokud vše půjde tak, jak v PJP předpokládají, mohli bychom si baterii Ryden koupit už koncem tohoto roku.

Nabíjení a vybíjení akumulátoru Ryden. Zdroj: Kjúšská univerzita. (mp4, 2 MB)

Grafenový superkondenzátor

Grafen je poměrně nový materiál (poprvé byl vyroben v roce 2004), který je tvořený jedinou vrstvou uhlíkových atomů a je tak nejtenčím materiálem, který byl dosud vyvinut. Propouští světlo a je tak hustý, že nepropustí ani tak malé částice, jako je helium. Elektrotechniky nadchla zejména jeho vodivost, která je mnohonásobně větší než u mědi. Jeho tepelná vodivost předčí všechny známé materiály. Kolébkou grafenu je Univerzita v Manchesteru, kde se stále zabývají jeho dalším výzkumem.

Molekula NO₂ na grafenu. Síť tvořená jednoatomovou vrstvou uhlíku je tak hustá, že nepropouští ani malé molekuly. Zdroj: Univerzita v Manchesteru.

V květnu tiskové oddělení Univerzity v Manchesteru vydalo prohlášení, že jedním ze záměrů aktuálního výzkumu na této univerzitě je postavení superkondenzátoru, který by měl vysoký výkon a velmi dlouhý životní cyklus – delší než baterie. Superkondenzátory jsou založené na principu elektrochemické dvojvrstvy složené ze dvou opačně nabitých vrstev. Při nabíjení kondenzátoru se ionty v elektrolytu pouze přesouvají k elektrodám a nedochází k žádným chemickým reakcím na elektrodách. Energie je uchovávána pouze jako náboj na elektrodách vytvářející elektrostatické pole mezi elektrodami. Právě absence chemických reakcí je důvodem dlouhé životnosti superkondenzátoru a vysoké rychlosti nabíjení a vybíjení v porovnání s klasickými bateriemi. Základem je co největší styčná plocha mezi elektrodami a elektrolytem. Grafen je proto ideálním materiálem.

Grafenový superkondenzátor je složen ze dvou elektrod vyrobených z grafenu, mezi kterými se v elektrolytu nacházejí kationty a anionty oddělené membránou, jak je ukázáno na následujícím obrázku. Při nabíjení se anionty a kationty z elektrolytu akumulují v okolí povrchu grafenu.

Superkondenzátor obsahuje dvě grafenové elektrody (modré a fialové šestiúhelníkové pláty) separované membránou (žlutá vrstva). Při nabíjení se anionty (modré a bílé spojené kuličky) a kationty (červené kuličky) z elektrolytu akumulují v okolí povrchu grafenu. Zdroj: Nature.

Grafenové superkondenzátory by mohly poskytnout trhu s elektromobily větší šanci v konkurenceschopnosti. Dnes tato „zelená“ vozítka drží v pozadí zájmu dva zásadní problémy: Hmotnost baterií, která je kolem 200 kg, což je srovnatelné s hmotností tří cestujících, a malá dojezdová vzdálenost na jedno nabití. Díky grafenu by se hmotnost mohla snížit a dojezdová vzdálenost zvýšit nad 100 km.

Grant, který na tento projekt v Manchesteru získali, byl odstartován teprve v minulém roce, takže zatím nejsou publikované žádné konkrétní výsledky. Jisté ale je, že se máme na co těšit – ať už ve vývoji grafenových superkondenzátorů nebo akumulátorů Ryden.

Odkazy