Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci vyvinuli organický materiál, který je schopen uchovávat protony a použili jej k vytvoření dobíjecí protonové baterie. Díky využití iontů vodíku – protonů – namísto tradičního lithia jsou tyto baterie příslibem řešení některých kritických problémů v oblasti moderního skladování energie, včetně nedostatku zdrojů, dopadu na životní prostředí, bezpečnosti a nákladů. Alespoň to tvrdí autoři nové studie z USNW Chemistry. Zdůrazňují schopnost baterie rychle ukládat energii a dobře fungovat i v podmínkách pod bodem mrazu; stejně tak ale i při pokojové teplotě.
Zvolený materiál tetraaminobenzochinon (TABQ) podporuje rychlý pohyb protonů pomocí sítí vodíkových vazeb. „Vyvinuli jsme nový, vysokokapacitní materiál s malými molekulami pro ukládání protonů,“ uvádí spoluautor výzkumu Chuan Zhao. „Pomocí tohoto materiálu jsme úspěšně vytvořili plně organickou protonovou baterii.“ Prozatím tedy v laboratoři a formou prototypu.
Nejběžnější typ baterií, lithium-iontové, vytvářejí elektrický náboj přenosem iontů lithia mezi anodou a katodou. Tento typ se také nejčastěji používá pro systémy skladování energie v mobilních systémech, ať už jde o notebooky, mobily, elektrokola, koloběžky, elektromobily… Jsou však velmi obtížně recyklovatelné a jejich výroba vyžaduje obrovské množství vody a energie. Lithium je omezený zdroj. Lithiové baterie mají také velké problémy, pokud jde o aplikace rychlého nabíjení a bezpečnost a nabízejí jen nízkou účinnost při nízkých teplotách.
Logicky se hledají alternativy. Protony mají ze všech prvků nejmenší iontový poloměr a hmotnost, což jim umožňuje rychlou difúzi. Použitím protonů vznikají baterie s vysokou hustotou energie a výkonu, které se rychle nabíjejí. Předností mají být i související uhlíkové emise.
Problém je ovšem v tom, že současné elektrodové materiály používané pro protonové baterie, z nichž některé jsou vyrobeny z organických materiálů a jiné z kovů, jsou těžké a stále velmi nákladné. Trpí také omezeným rozsahem napětí (viz dále).
Základním parametrem elektrochemie je redoxní potenciál. Rozsah redoxních potenciálů v baterii je důležitý, protože ovlivňuje její výkon. Obvykle se redoxní potenciály katodových materiálů musí nacházet ve vysokém rozsahu a potenciály anod v nízkém, což zajistí žádoucí výstupní napětí baterie.
Při vytváření elektrodového materiálu začal výzkumný tým s tetrachlorbenzochinonem (TCBQ), tedy molekulou obsahující čtyři chlorové skupiny. Ačkoli byl TCBQ již dříve použit pro konstrukci elektrodových materiálů, rozsah redoxního potenciálu této sloučeniny je průměrný – ani dostatečně nízký, aby mohl být použit jako anoda, ani dostatečně vysoký pro katodu. Nejprve se proto vědci rozhodli upravit TCBQ tak, aby se zvýšila jeho výkonnost jako anodového materiálu. Po několika kolech modifikací sloučeniny nahradili čtyři chlorové skupiny čtyřmi aminoskupinami, čímž vznikla molekula tetraaminobenzachinon (TABQ). Přidáním aminoskupin se výrazně zlepšila schopnost materiálu uchovávat protony a snížil se její redoxní potenciál. Výroba TABQ by dnes nebyla levná, ale nemusí být problém syntézy nějak odladit; každopádně nejsou potřeba žádné drahé/omezeně dostupné prvky.
V kombinaci s katodou TCBQ nabízí plně organická baterie dlouhou životnost (3 500 cyklů plného nabití a následného úplného vybití baterie), vysokou kapacitu a dobrý výkon v chladných podmínkách, což z ní činí slibný materiál pro skladování energie z obnovitelných zdrojů, a to i v měřítku energetických gridů/sítí. Mezi oběma elektrodami se v prototypu nachází vodný roztok, takže nehrozí ani riziko vznícení/výbuchu jako u hořlavých rozpouštědel v bateriích Li-Ion.
„Navrhli jsme velmi dobrý anodový materiál a budoucí práce se přesune na stranu katody. Budeme pokračovat v navrhování nových organických materiálů, které mají vyšší redoxní potenciál, abychom zvýšili výstupní napětí baterie,“ uvádějí autoři výzkumu.
Materiál pro skladování protonů by se také mohl uplatnit ve vodíkové ekonomice, jako způsob přepravy vodíku, což je jinak úzké místo.
Sicheng Wu et al, A High‐capacity Benzoquinone Derivative Anode for All‐organic Long‐cycle Aqueous Proton Batteries, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202412455
Zdroj: University of New South Wales (Sydney) / TechXplore.com, přeloženo / zkráceno
Poznámka PH: Viz diskuse o těžbě lithia v Krušných horách. Obával bych se, že technologický pokrok poptávku po lithiu může prudce srazit a než se někdo k těžbě rozhoupe, už to nebude zdaleka tak výhodné…
Ja naopak DOUFAM, ze poptavka po lithiu klesne a Krusne hory nebudou zatizeny dalsi tezbou. Dolary/eura jsou sice hezka hezka a prijemna vec, ale jak znam ceska provedeni, vetsinu by sezral zahranicni tezar a nam by stejne zbyla jen znicena krajina a pak floku, mnohem mene nez by bylo potreba na naslednou rekultivaci – kterou by tezar podle smlouvy sice udelat mel, ale neudelal by, jako ve vsech podobnych pripadech.
taky souhlasim se zdenkem a krusne hory se nebudou rozvrtavat. spis by to chtelo opravdovou podporu prumyslu a technickeho skolstvi, at jsou lidi co vymysleji vynalezy namisto dolovani surovin 🙂
tak v jedne variante se lithium melo tezit z uz vytezene hlusiny…
jinak sama o sobe (eventualni) nahrada lithia jiste prinosna bude. chtel jsem jen rict, ze zrovna suroviny nejsou neco, co se vyplati si syslit do zasoby, ale naopak spotrebovat/prodat – protoze nove technologie ty dnes zadane suroviny vetsinou odstavi. viz takova ta Simonsova sazka, „doba kamenna neskoncila kvuli nedostatku kamene“. snad s vyjimkou zlata, ale to neni primarne surovina pro technologie… (samozrejme x dalsich faktoru – zitra treba vytezite kvuli lepsim technologiim efektivneji, setrneji, jasne…)
> Protony mají ze všech prvků nejmenší
Cože? 😀
Clanek horsi urovne nez Blesk. Ionty, vodik, protony …. rychly pohyb protonu pomoci vodikovych vazeb …. protony ze vsech prvku ….
Neco takovyho jsem tady necekal.
proton = jadro lehkeho vodiku. namisto toho si dosadte H+. „protonova vodivost“ se pouziva bezne. takze proton je prvek asi tak stejne, jako je prvek iont lithia nebo sodiku. v tom snad zase zadny blud neni.
Diky za vysvetleni, uz chapu. Kation vodiku me nenapadl, ted mi cely clanek konecne dava smysl.
A omlouvam se za celkem prehnanou reakci.
Článek zmiňuje zázračnou baterii o vysoké hustotě náboje, ovšem s vysokou hmotností a 3500 nabíjecími cykly.
Jaká je ta hustota a těch 3500 cyklů platí při jakém vybíjecím proudu v C?
Bez konkrétních čísel je článek jen výkřik do tmy.