Pavel Baroch | 2. 2. 2022

Revoluční baterie od českých vědců má být extrémně levná, nehořlavá a s vysokou kapacitou

Vědci Akademie věd ČR si nechali patentovat vynález revoluční baterie, která může najít uplatnění například při ukládání energie z obnovitelných zdrojů, jako jsou solární elektrárny. Funguje na principu elektrochemické reakce, její kapacita je srovnatelná s komerčními nikl-metal hydridovými bateriemi a přitom přináší několik zásadních výhod: je vyrobena z extrémně levných materiálů, na rozdíl od používaných akumulátorů nehoří ani nevybuchuje a spolehlivě funguje i v nízkých teplotách.

I když na trhu existuje mnoho inovativních typů baterií, většina z nich se nehodí pro vysokokapacitní ukládání elektřiny, a to zejména kvůli své vysoké ceně. Nová technologie je založená na principu vodné baterie: 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 Akademie věd ČR se jeho poznatky inspiroval a vyvinul baterii, která se může uplatnit například právě ve stacionárních bateriových systémech. Nový převratný typ vydrží 500 cyklů vybití a opětovného nabití.

„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,“ vysvětlil 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.“

Detail nového typu baterie
Foto: AV ČR / René Volfík

Bez výbuchu, bez vznícení

Baterie zároveň 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,“ zdůraznil Červenka.

Inovativní řešení této technologie si vědci patentovali v rámci lucemburského a evropského patentu. Výsledky svých výzkumů také publikovali v prestižních vědeckých časopisech, například v Journal of Materials Chemistry A. Nyní výzkumníci hledají průmyslové partnery, kteří by měli zájem 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,“ řekl o vynálezu Otakar Frank z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského Akademie věd ČR.

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.

Jiří Červenka v laboratoři
Foto: AV ČR / René Volfík

Kapacitu lze navýšit

Dosavadní testy prokázaly, že experimentální vodná baterie dosahuje kapacitu okolo 45 mAh/g a výstupní napětí 2 V a vydrží stovky 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,“ poznamenal Jiří Červenka z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR. „Nyní se zaměříme především na vysokokapacitní baterie s ionty, které mohou mít v principu vyšší kapacitu než lithiové baterie. V nedávné době jsme na podobném principu sestavili hliníkovou vodnou baterii, která se jeví také jako velmi slibná,“ dodal fyzik.

Není to poprvé, co se čeští vědci zasloužili o převratnou novinku v bateriových systémech. V roce 2018 si nový typ lithium-sirné baterie nechal patentovat Tomáš Kazda z Ústavu elektrotechnologie Vysokého učení technického v Brně. První prototypová linka na jejich výrobu by přitom měla vyrůst na jihu Norska.

Lithium-sirné baterie jsou ekologickou variantou k současným Li-ion akumulátorům a představují velkou naději pro budoucnost elektromobility, ale i dalších odvětví. Nahrazují totiž poměrně nedostatkové kovy včetně kobaltu nebo niklu mnohem dostupnější sírou, která je rovněž k dispozici jako odpadní produkt. Výroba nových akumulátorů navíc není tak energeticky náročná jako v případě dnes využívaných článků.

Velkou výhodou lithium-sirných baterií je až pětinásobně vyšší gravimetrická hustota energie, v praxi by pak mohla být gravimetrická hustota energie nových článků až třikrát vyšší, díky čemuž by mohly být nové akumulátory lehčí a menší.

„Když vezmu například kapacitu dnešních baterií používaných v elektromobilech Tesla, tak pokud bych použil technologii lithium-sirné baterie a zachoval stávající kapacitu, podařilo by se mi zmenšit hmotnost baterie na zhruba 120 kilogramů oproti současným přibližně 550 kilogramům,“ vysvětlil Kazda. „Nebo kdybych ponechal stávající hmotnost baterie, ale opět změnil technologii na lithium-sirnou, mohla by se zvýšit dojezdová vzdálenost elektromobilu při využití 60procentního potenciálu této technologie až na 1 250 kilometrů,“ dodal.

Běžnou baterii můžete mít doma již dnes. Spolu se solární elektárnou na střeše uspoříte za energii ze sítě

Tisícikilometrový dojezd

Jeden z dalších směrů, jak zlepšit využití baterií v elektrických vozech, je využívání solárních panelů, které by zajistily částečné dobití akumulátoru. Společnost Mercedes-Benz začátkem tohoto roku představila vůz Vision EQXX, který by díky tomu mohl ujet až tisíc kilometrů na jedno nabití.

Na konci roku zase upravená Tesla S ujela díky nové revoluční baterii na jedno nabití více než 1 200 kilometrů, při druhém pokusu dokonce více než 1 400. A to díky projektu michiganského startupu Our Next Energy, který vybavil elektrovozidlo akumulátorem s dvojnásobnou energií, aniž by pro něj potřeboval větší prostor. Původní baterie měla kapacitu 103,9 kWh, zatímco prototypová baterie 207,3 kWh.

Na vývoji účinnějších baterií pracují rovněž další automobilky. Například japonská Toyota vloni oznámila, že chce do roku 2030 investovat více než 13 miliard dolarů do vývoje nových baterií. Jednou z nich by měl být akumulátor s pevným elektrolytem, označovaný jako solid-state baterie, která je podle některých názorů jednou z budoucností nejen elektromobility.

Autor: Pavel Baroch

Foto: AV ČR / René Volfík