English version
Bržděním se ztrácí mechanická energie. Stačí ji tedy zachytit a znovu efektivně využít. Akorát je k tomu potřeba vynalézt takovou baterii, která se dokáže velmi rychle a účinně na‑ bít.
Abychom byli přesní, nemluvme o baterii, ale o superkondenzátoru. Jeho prototyp teď připravují vědci v Olomouci.
Vysokokapacitní, bezpečný a k přírodě šetrný superkondenzátor, tedy zařízení pro uchovávání elektrické energie, vyvíjejí vědci z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) Univerzity Palackého v Olomouci ve spolupráci s kolegy z Bar‑Ilanovy univerzity v Izraeli a italskou firmou Itelcond.
Využijí k tomu v Olomouci vyvinutý materiál odvozený od grafenu, který už chrání evropský patent. Výzkum, který má posunout objev do praxe, je možný díky prestižnímu a v tuzemsku ojedinělému grantu Evropské rady pro inovace (EIC) Transition Challenges s dotací bezmála 2,5 milionu eur (cca 62,5 milionů korun).
„Dusíkem obohacený grafen, který jsme vyvinuli z fluorografenu, se ukazuje pro využití v superkondenzátorech jako velmi perspektivní. V porovnání s grafitem má materiál větší hustotu, která v kombinaci s velkou schopností adsorbovat ionty z elektrolytu vede k velmi vysoké objemové hustotě energie, výrazně vyšší než u všech dosud popsaných superkondenzátorových materiálů na bázi uhlíku nebo grafenu. To může přinést přelomové zlepšení výkonu superkondenzátorů,“ říká vedoucí výzkumného týmu profesor Michal Otyepka.
Látka, kterou olomoučtí vědci pro vývoj superkondenzátorů používají, patří mezi tzv. 2D materiály. Tedy látky, které se skládají z jednotlivých vrstev atomů – a vědci tyto jednotlivé vrstvy dokážou od sebe oddělit. Na studium těchto materiálů se soustředí fyzici po celém světě. Předpokládají totiž, že právě přes 2D materiály vede cesta k dokonalejším technologiím.
Superkondenzátor ukládá elektrickou energii. „Uvnitř dochází k přeskupování iontů elektrolytu. Tento fyzikální proces je velmi rychlý, což je obrovská výhoda oproti bateriím. V baterii totiž musí dojít k chemické reakci, zatímco v superkondenzátoru pouze k přeskupení chemických iontů. Díky tomu se nabíjejí velmi rychle a dokážou to v podstatě v neomezeném počtu cyklů,“ poukazuje Otyepka na známou vlastnost baterií, že po určitém počtu nabití jejich kapacita klesá a životnost končí. Superkondenzátory jsou v tomto ohledu mnohem trvanlivější.
Superkondenzátory se nejen rychle nabíjí, ale i vybíjí. Toho využívají například defibrilátory. Právě u těchto život zachraňujících zařízení je nutné, aby se dokázaly rychle nabít a zároveň rychle předat velké množství energie. Michal Otyepka zároveň předpokládá, že vyvíjené superkondenzátory pomůžou vyřešit zásadní problém současných elektromobilů – dlouhou dobu nabíjení baterie.
Superkondenzátor se prý dokáže nabít za pár minut. Budoucnost elektromobility tak Otyepka vidí v kombinaci superkondenzátorů a baterií. Díky propojení obou technologií se urychlí nabíjení a zvýší životnost baterie.
Vyvíjené superkondenzátory navíc umožní i šetřit energií. „Když auto brzdí, velké množství energie uniká. Ale existuje systém rekuperace energie – mechanická energie vozu se dá zpětně uložit do elektrické energie. Na to jsou dobré právě superkondenzátory. Bržděním na křižovatce si nabiji superkondenzátor a uloženou energii pak využiji při rozjezdu,“ nadšeně líčí profesor. Ušetří se tím nejen energie v baterii, ale i baterie samotná.
Už jsme zmínili, že chemické baterie se nabíjením a vybíjením opotřebovávají. Díky superkondenzátorům se tento cyklus prodlouží, čímž se prodlouží i životnost baterie.
Slibný komerční potenciál
Hledání materiálů pro účinné ukládání elektrické energie patří mezi velmi žhavé výzvy současné vědy. V souvislosti se snahou omezit spotřebu fosilních paliv a vlivem rostoucí mobility a zvyšujícího se počtu elektronických zařízení roste celosvětově poptávka nejen po cenově dostupné, spolehlivé a udržitelné energii, ale i po jejím efektivním skladování.
Současně s tím vědci přemýšlí i o tom, jak při ukládání energie omezit závislost na lithiu, jehož těžba mnohdy není zrovna ekologická. Nový materiál z CATRIN lze připravit z grafit fluoridu, průmyslového lubrikantu dostupného na trhu v tunách, což zvyšuje jeho případnou komerční dostupnost.
„Zároveň jsme velmi dbali na to, aby byla výsledná součástka co nejvíce šetrná k životnímu prostředí. Toho jsme, kromě použití samotného uhlíkového materiálu, dosáhli také volbou elektrolytu v superkondenzátoru,“ přidává se další členka řešitelského týmu Veronika Šedajová, která je také spoluautorkou nedávno uděleného evropského patentu.
Díky získanému grantu EIC vědci můžou ve spolupráci s italským partnerem přistoupit k vývoji prototypu superkondenzátoru. Zkoumají, které složení elektrolytu nabídne nejlepší vlastnosti, a zároveň se zajímají o to, jak dosud malou produkci v laboratoři přenést do průmyslových měřítek. Asi za dva nebo tři roky by měl světlo světa spatřit certifikovaný prototyp, o který můžou projevit zájem výrobci elektromobilů i medicínské techniky.
Převzato z časopisu Komora. Autor článku: Daniel Mrázek
