Sciencemag.cz
Doporučujeme
Tolik nápadů, a to platí rok co rok. Třeba se některá z následujících technologií nicméně dostane z laboratoří i do fáze průmyslového nasazení…
Upravený cukr může vylepšit zinkové baterie
Zinkové baterie s elektrolytem na bázi vody jsou levné a neobsahují toxické látky, jejich většímu nasazení např. v rámci energetických sítí však až dosud bránily problémy s výkonem a stabilitou článku. Čínští vědci nyní představili řešení, které spočívá v použití chemicky upraveného běžného cukru ke stabilizaci zinečnatých iontů.
„Ve srovnání se současnými lithium-iontovými bateriemi s hořlavými organickými elektrolyty jsou vodné zinkové baterie vysoce bezpečné a cenově výhodné,“ uvedla spoluautorka článku Meinan Liu z Čínské vědecko-technické univerzity. „Zinková anoda má navíc extrémně vysokou teoretickou kapacitu.“ Potíž spočívá v tom, že když koncentrace zinečnatých iontů na povrchu anody klesne na nulu, dojde k růstu dendritů. Ty mohou způsobit zkrat, ale i bez toho zhoršují elektrochemické vlastnosti baterie. Dřívější studie ukázaly, že úprava prostředí rozpouštědla (přidání speciálních solí apod.) může zvýšit pohyblivost iontů Zn2+ v reakci na elektrické pole a růst dendritů potlačit. S tím je ale zase spojeno zhoršení iontové vodivosti systému a tedy i výkon baterie.
Výzkumníci z několika čínských institucí nyní proto navrhli nový postup: přidat do elektrolytu běžnou sacharózu, pouze s více hydroxylovými skupinami. Simulace i provedené experimenty potvrdily, že molekuly upravené sacharózy zvýšily pohyblivost iontů a zastavily růst dendritů, aniž by přitom narušily stabilitu elektrody nebo celého prostředí. Ve skutečnosti tato metoda poskytla i původně nepředpokládané výhody. Molekuly sacharózy totiž také chránily anodu před korozí vodou, podporovaly vylučování zinku bez tvorby dendritů a potlačovaly vedlejší reakce.
Autoři výzkumu uvádějí, že zvolená technika by mohla mít širší využití, sacharóza by mohla vylepšit např. také parametry baterií zinko-uhlíkových.
Yufang Cao et al, Fast Zn2+ mobility enabled by sucrose modified Zn2+ solvation structure for dendrite-free aqueous zinc battery, Nano Research (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4726-3
Zdroj: Tsinghua University Press / Phys.org
Baterie hliník-síra jsou levnější než Li-Ion
Dnešní Li-Ion baterie jsou pro většinu vysokokapacitních záložních bateriových systémů stále příliš drahé. Výzkumníci z MITu a dalších institucí nyní proto navrhli a vyvinuli nový druh baterie, vyrobený výhradně z dobře dostupných a levných materiálů.
Nová architektura baterie využívá jako elektrodové materiály hliník a síru; mezi nimi je elektrolyt na bázi roztavené soli. Tyto články mohou vydržet stovky cyklů při mimořádně vysokých rychlostech nabíjení, přičemž předpokládané náklady na jeden článek jsou přibližně šestinové oproti srovnatelným Li-Ion bateriím. Dále se zjistilo, že rychlost nabíjení silně závisí na pracovní teplotě, přičemž při 110 °C je 25krát vyšší než při 25 °C. Sůl v podobě směsi NaCl–KCl–AlCl3 v roli elektrolytu je nejen nehořlavá, ale navíc, jak se ukázalo, velmi účinně brání tvorbě dendritů a tomu, aby prorostly mezi elektrodami a způsobily zkrat. K tvorbě dendritů nedochází ani při velmi vysokých rychlostech nabíjení.
K udržení provozní teploty (poznámka: což je?) baterie nevyžaduje žádný externí zdroj tepla, protože se zahřívá při nabíjení i vybíjení.
Příslušná baterie by se měla hodit pro střední instalace (napájení domácnosti, malé firmy, s kapacitou v řádu desítek kilowatthodin, pro ukládání ze solární elektřiny), dále v nabíjecích stanicích pro elektromobily (jako dodatečný zdroj vedle připojení k síti, když do stanice dorazí několik vozů najednou apod.).
Donald Sadoway, Fast-charging aluminium-chalcogen batteries resistant to dendritic shorting, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04983-9. www.nature.com/articles/s41586-022-04983-9
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / Techxplore.com
Baterie lithium-kov se zlatými nanočásticemi
Baterie lithium-kov na rozdíl Li-Ion fungují s anodou, která není z grafitu, ale přímo z lithia (kovu). Baterie na tomto základě mohou teoreticky nabízet mnohem vyšší kapacitu v přepočtu na hmotnost, takže by se mohly uplatnit např. v elektromobilech. Rozdíl mezi oběma typy baterií je dokonce až řádový (3 860 mAh/g vs. 372 mAh/g), Problémem baterií lithium-kov jsou ovšem dendrity, které mohou vyvolat zkrat nebo alespoň zkracují životnost baterie.
Pro řešení tohoto problému vyvinuli výzkumníci KERI (Korea Electrotechnology Research Institute) porézní uhlíkovou strukturu s dutým jádrem a do tohoto jádra přidali malé množství nanočástic zlata s afinitou k lithiu. Zlato zde řídí směr růstu Li tím, že na sebe lithium přednostně váže a tím vyvolává ukládání Li uvnitř jádra. Pláš%t jádra je navíc navržen s mnoha póry o nanometrových rozměrech, které zlepšují pohyb lithiových iontů směrem do prostoru jádra. Podobné uspořádání se už zkoušelo, problém ale až dosud spočíval v tom, že se lithium při vyšších rychlostech nabíjení ukládalo na vodivém plášti uhlíkové kapsle namísto v jádru; právě to řeší velké množství co nejmenších pórů, díky nimiž ani při nabíjení 5 mA/cm2 k růstu dendritů nedochází. Po 500 cyklech nabíjení si baterie stála zachovávala více než 80 % původní kapacity.
Dong Woo Kang et al, One-Dimensional Porous Li-Confinable Hosts for High-Rate and Stable Li-Metal Batteries, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c01309
Zdroj: Korea Electrotechnology Research Institute / Phys.org
Niklová elektroda konečně vydrží
Výzkumníci z Kalifornské univerzity v Irvine a čtyř amerických „národních laboratoří“ navrhli způsob, jak vyrábět katody lithium-iontových baterií bez použití kobaltu. Uvádějí, že se jim podařilo překonat tepelnou a chemicko-mechanickou nestabilitu katod složených převážně z niklu (logické náhrady kobaltu), a to přimícháním několika dalších kovových prvků. Technika tzv. vysokoenetropického dopování umožnila vyrobit vrstvenou katodu bez kobaltu, přitom s extrémně vysokou tepelnou odolností a stabilitou i po mnoha cyklech nabíjení (testováno pro 1 000 cyklů).
Katody na bázi niklu mají obecně špatnou tepelnou odolnost, která může vést k oxidaci materiálů baterií, tepelnému vyčerpání a dokonce i k výbuchu. Umožňují sice dosáhnout vyšší kapacity, ale objemové namáhání způsobené opakovaným rozpínáním a smršťováním může mít za následek špatnou stabilitu a bezpečnostní problémy.
Nová technika spočívá v přidání hořčíku, titanu, manganu, molybdenu a niobu do nitra niklové struktury, přičemž část z těchto kovů se používá i na povrchu niklu, tedy v rozhraní s dalšími částmi baterie.
Huolin Xin, Compositionally complex doping for zero-strain zero-cobalt layered cathodes, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05115-z. www.nature.com/articles/s41586-022-05115-z
Zdroj: University of California, Irvine / TechXplore.com
Poznámka: Ad vysokoenetropické dopování. Téměř jistě půjde o něco podobného jako v případě slitin s vysokou entropií, tedy o slitiny/směsi, kde jsou i minoritní příměsi zastoupeny významně.
