Převratný patent českých vědců: levná a bezpečná baterie s vysokou kapacitou

Nehoří a nevybuchuje, vydrží pět set cyklů vybití a opětovného nabití a její kapacita je srovnatelná s komerčními nikl-metal hydridovými bateriemi. Je vyrobena z extrémně levných a recyklovatelných materiálů – vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR a Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR představují nový typ nabíjecí baterie, která přináší převrat v technologiích. Využití může najít například v oblasti solární energetiky.  

Ukládání elektřiny vyrobené v solárních nebo větrných elektrárnách je velkou výzvou. I když na trhu existuje celá řada inovativních typů baterií, většina z nich se nehodí pro vysokokapacitní ukládání elektřiny, a to zejména z důvodu vysoké ceny. Devizou nového typu baterie jsou použité materiály, které jsou levné a běžně dostupné.

Experimentální vysokonapěťová baterie funguje na principu elektrochemické reakce, jde o vodnou baterii, která využívá slanou vodu, zinek a grafit. Vysoké napětí baterii dodává speciální chaotropní sůl, jejíž vliv na vlastnosti vodných roztoků studoval před více než 130 lety pražský německý chemik Franz Hofmeister.

Tým vědců vedený Jiřím Červenkou z Fyzikálního ústavu AV ČR se jeho poznatky inspiroval a vyvinul baterii, která se může uplatnit například ve stacionárních bateriových systémech. Využití baterie spatřují výzkumníci tam, kde je trvale umístitelná – například u solárních panelů. Výhodou je, že dokáže energii uložit i pro případ, kdy slunce nesvítí.

„Vodné baterie byly představeny již dříve, ale jejich rozmachu bránila relativně nízká kapacita a napětí. Našemu týmu se podařilo tento problém vyřešit tím, že jsme do roztoku vody přidali velké množství chaotropní soli chloristanu zinečnatého,“ vysvětluje Jiří Červenka.

Dosažené napětí je srovnatelné s napětím, kterého dosahují organické elektrolyty v komerčních lithiových bateriích. Nespornou výhodou našeho elektrolytu je vysoká vodivost, která na rozdíl od organických elektrolytů významně neklesá ani za nízkých teplot.

Výbuch i vznícení mimo hru
Baterie nehoří a nemůže vybuchnout, protože má nehořlavý elektrolyt. V tom je zásadní rozdíl oproti Li-ion bateriím, které jsou nyní nejpoužívanější na trhu. „Li-ion baterie mají velmi hořlavé organické elektrolyty, a navíc obsahují lithium, které se může na vzduchu samovznítit. To u naší baterie nehrozí,“ zdůrazňuje Jiří Červenka.

Jiří Červenka věří, že jeho tým našel díky nové baterii průlomové řešení v oblasti ukládání elektřiny.

Inovativní řešení si vědci patentovali v rámci lucemburského a evropského patentu. Výsledky svých výzkumů také publikovali v prestižních vědeckých časopisech, naposledy v tomto týdnu v Journal of Materials Chemistry A. V současné době hledají průmyslové partnery se zájmem o další vývoj produktu.

„Tento systém je nesmírně zajímavý nejen pro budoucí aplikace, ale i z hlediska základního výzkumu. Jak jsme ukázali, velmi důležitou roli zde hraje například vnitřní struktura materiálu elektrod, kde přílišná dokonalost nevede k nejlepším vlastnostem v některých ohledech, což i může být další výhodou pro aplikace,“ říká o vynálezu další člen týmu, Otakar Frank z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Nový typ levné, recyklovatelné, nehořlavé baterie

Princip baterie je založen na transportu dvou rozdílných iontů, dvojmocném zinku a jednomocném chloristanu. Dvojmocný zinek má v porovnání s jednomocným lithiem výhodu, že může při nabíjecím a vybíjecím procesu přenášet dva elektrony na atom, a díky tomu může mít teoreticky větší kapacitu než lithium při stejném objemu.

Kapacitu lze ještě navýšit
Dosavadní testy prokázaly, že experimentální vodná baterie dosahuje kapacity okolo
45 mAh/g a výstupní napětí 2 V a vydrží 500 cyklů vybití a opětovného nabití, aniž by její výkonnost citelně klesla. Výsledná kapacita experimentální baterie je tedy srovnatelná s komerčními nikl-metal hydridovými bateriemi.

„Domnívám se, že po důkladné optimalizaci této baterie je ještě možné významně navýšit její kapacitu,“ podtrhuje Jiří Červenka. Jeho tým se nyní zaměří na vysokokapacitní baterie s ionty, které mohou mít v principu vyšší kapacitu než lithiové baterie. Velmi slibně se jeví rovněž hliníková vodná baterie, kterou výzkumníci na podobném principu sestavili v nedávné době.

Text: Markéta Wernerová, s využitím podkladů Markéty Růžičkové, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR 
Foto: René Volfík, Fyzikální ústav AV ČR
Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• V Praze odstartovala největší mezinárodní konference o materiálovém modelování
• Z čeho se skládá kosmické záření? Napoví přelomová metoda českého fyzika
• Tuk je možné vydolovat i z tisíce let staré keramiky, říká Veronika Brychová
• Svérázná říše umělé inteligence. Máme se jako lidstvo bát, nebo být nadšení?
• Přelomové datování. První lidé přišli do Evropy už před 1,4 milionu let
• Přitažlivá nepřitažlivost. Vědci experimentálně potvrdili novou formu magnetismu
• Krása neviditelného krystalu. Jak se zkoumá skrytý svět atomů a molekul
• Planetky neboli asteroidy: jak pomáhají vědcům při dobývání a výzkumu vesmíru
• Nová krystalografická metoda pomůže ve vývoji léků i rychlejších počítačů
• Dva bratři Jungwirthové, dva prestižní evropské granty ve výši 120 milionů korun