Průlomový koncept hořčíkové baterie slibuje levnější, dostupnější akumulátory

Spočítáme-li sumu vstupů pro výrobu Li-iontových baterií, jež by kompletně vytěsnily ropné produkty z pohonu dopravních prostředků, zjistíme, že na získání potřebného množství surovin pravděpodobně nebudou stačit známé přírodní zdroje.

Výzkum nových typů baterií je dnes teprve na začátku a během následujících let se dočkáme mnoha zajímavých převratných novinek. Jednou z nich mohou být právě hořčíkové baterie.
foto:
cayrex2

Tuto a další slabiny spíše pro svoji vlastní duševní útěchu používají ti, kdo profitují z prodeje spalovacích motorů. Jejich názor poznamenává neochota vzdát se know-how dlouhodobě vyvíjených pístových pohonů, dovedených téměř k dokonalosti, a postavit se znovu na startovní čáru.

Oponenti si jsou minimálně navenek svým postojem jistí, avšak opomíjejí dynamiku vývoje. Co dnes nepřichází v úvahu, zítra bude samozřejmostí. Existují tři způsoby řešení nedostatku přírodního bohatství. Šetřit s ním, najít nová ložiska, nebo využívat jiné. První a zřejmě i druhý způsob pouze oddálí potřebu nalézt konečné řešení.

Z ekonomického a environmentálního hlediska nejvhodnější postup spočívá v použití jiných, méně vzácných prvků, které se podělí o roli ve skladování elektrické energie společně s lithiem.

Hořčík patří právě k těm prvkům, na které se sází. Splňuje téměř všechny představy o ideální náhradě. Hojné zastoupení v zemské kůře napovídá, že s jeho zásobami a cenou si nikdo starosti dělat nemusí.

Přemýšlet netřeba ani nad zápornou elektrodou. Lze ji vytvořit ve formě hořčíkové fólie, bez strachu z tvorby záludných dendritů. Elektrolyt je vhodné dál vylepšovat, ale ty stávající fungují.

Kritický bod představuje katoda, do jejíž vrstevnaté struktury se během vybíjení vkládají (interkalují) hořečnaté kationty. Vlastnosti žádného z doposud vyzkoušených materiálů nejsou slučitelné s požadavky na použitelnou baterii.

Až na jednu vyjímku rychle degradují při opakování procesu nabíjení a vybíjení. Nakonec i tu jednu jedinou výjimku omezuje příliš pomalá kinetika interkalační reakce a pro zachování alespoň nějakých parametrů, by bylo potřeba článek udržovat zahřátý na 60 °C.

Pomalý katodový děj vyvolávají dvě příčiny. První z nich je vysoká aktivační energie vyžadující přerušení silné vazby hořčík-chlor. Totiž náboj v halidových elektrolytech nese hořčík hlavně v podobě monochlorid hořečnatého kationtu (MgCl+) nikoli ve formě samotného hořečnatého iontu. Před vstupem do katody musí být chloridový protiiont z hořčíku odstraněn a interkaluje se samotný hořečnatý kationt.

Druhým limitujícím faktorem je extrémně pomalá rychlost pohybu hořečnatého iontu uvnitř katody vzhledem k silné elektrostatické interakci mezi atomy hosta a hostitele. Taktéž k zdárnému obsazování elektrody nepomůže vzájemné odpuzování dvojnásobně nabitých kationtů hořčíku mezi sebou.

V kontrastu s nepříznivou situací u vývoje kladné elektrody vyniká nedávno publikovaný příspěvek v Nature Communications, popisující průlomový článek s rychlou interkalační kinetikou a difuzí v katodě při pokojové teplotě, který navíc oplývá dříve nevídanou kapacitou a vynikající mírou snášení cyklů nabíjení a vybíjení.

Podstata či přínos ovšem nevězí v samotném složení katodového materiálu, nýbrž v obecném přístupu řešení problému a změně chápání, jak může interkalace probíhat. Hyun Deog Yoo hlavní autor z univerzity v Houstonu zapojil při zkoumání převratné katody do teoretické a praktické činnosti odborníky z dalších šesti amerických vědeckých institucí.

Badatelům se podařilo pozměnit sulfid titaničitý tak, že mezery mezi jednotlivými vrstvami zvětšili natolik, aby pojaly celý monochlorid hořečnatý kationt (MgCl+), což umožnilo nejen zbavit se nutnosti rozštěpit vazbu mezi chlorem a hořčíkem, ale rovněž to zajistilo volnější pohyb iontů v katodě, protože MgCl+ je méně elektrostaticky polarizovaný a zároveň má kolem sebe dost místa, čímž oslabuje koordinační vazba s atomy síry.

Jakým zásahem vlastně docílili tak jemné změny architektury materiálu? Překvapivě velmi jednoduše. Vědci sestavili kompletní Mg článek vybavený “obyčejným” sulfidem titaničitým. Do elektrolytu přidali ovšem něco navíc.

Chemický vzorec interkalačního činidla PY14+ (1-butyl-1-methylpyrrolidinium kationt)

Chemický vzorec interkalačního činidla PY14+ (1-butyl-1-methylpyrrolidinium kationt)

foto: archiv autora

Organickou složku označenou zkratkou (PY14+). Ta se až během provozování článku interkaluje do katody. Objemný kationt PY14+ rozevře mezeru a zůstává v ní trvale uvězněn, přičemž podpírá patra sulfidu titaničitého jak sloupy antický chrám.

Aby monochlorid hořečnatý kationt pohodlně zapadl do katody, bylo třeba rozšířit vzdálenosti mezi vrstvami oproti běžnému stavu trojnásobně z 0,57 nm na 1,8 nm. Zato si elektroda vysloužila přívlastek „nanostrukturovaná“.

Za zajímavé lze považovat to, že navzdory expanzi se jednotlivé vrstvy látky neodlouply a zachovaly si kompaktnost, jelikož podobnými metodami jsou připravovány 2D materiály, jakým je například grafen, který tvoří jedna rovinná síť hexagonálně uspořádaných atomů uhlíku.

Obrázek ukazuje postupnou expanzi sulfidu titaničitého vmezeřením organického iontu PY14+ a posléze i MgCl+.

Obrázek ukazuje postupnou expanzi sulfidu titaničitého vmezeřením organického iontu PY14+ a posléze i MgCl+.
foto: Nature Communications 8, Article number: 339 (2017), CC BY 4.0

Příjemně zní, že kapacita za zvýšené teploty byla stanovena na 400 mAh/g. Zůstane-li teplota pokojová, klesne velikost uchovaného náboje k hodnotě, která odpovídá katodovému materiálu komerčně produkovaných li-iontových baterií.

To se nemusí zdát jako velký pokrok. Nicméně rozdíl mezi energetickou hustotou nejnadějnějších předchůdců nového konceptu hořčíkového článku dokonale vystihuje slovní spojení dramatické zlepšení.

V současnosti je zbytečné uvažovat zda, a už vůbec ne, kdy čerstvě nabyté poznatky prokáží užitek. Pokud se tak stane, pravděpodobně to nebude v této konkrétní podobě, ale myšlenka expanzí modifikovaných materiálů pomocí interkalace organických kationtů vypadá slibně a může najít uplatnění při vkládání jiných vícemocných iontů (zinečnatých, vápenatých, hlinitých).

Literatura:
DOI: 10.1038/s41467-017-00431-9

Bonusové video: jak si vyrobit hořčíkovou baterii

vlastní

30 Comments on “Průlomový koncept hořčíkové baterie slibuje levnější, dostupnější akumulátory”

      1. a co takhle nám toho Vaška Diazepanů představit dřív
        a co takhle nám toho Vaška Diazepanů představit dřív než ho sem jen tak nenápadně půstíte, páč přes ty přiblblý videoreklamy tahaný přes honduras vod dominikánů než se text načte si název autora sotva kdo všimne 😉

  1. vyzkum novych typov baterii nie je na ziaciatku. minimalne od
    vyzkum novych typov baterii nie je na ziaciatku. minimalne od 60 rokov do 80 sa kde tu prezentovali rozne specialne napriklad vysokoteplotne a pod. akumulatory pre auta. Ale akosi sa potom zlahla zem a tvarime sa ze je to nove a na zaciatku.

    Chemicky akumulator pre uchovanie a distribuciu je na prd. Preto existuju supravodive indukcne cievky ktore mozno nabit, skvapalnovanie plynov, zotrvacniky, ..

    Tu nie je ziadna cesta, skratka limitovana zivotnost, a pomalé nabijanie, cize prenos do chemickeho akumulatora, premenou chemikalii.

    pokial viem, tak ziaden novy fyzikalny objav nemame, prosto tu ide iba o udrziavanie pozornosti divaka, ja tomuto obdobiu po roku 2000 hovorim: hluche.

  2. „Existují tři způsoby řešení nedostatku přírodního
    „Existují tři způsoby řešení nedostatku přírodního bohatství. Šetřit s ním, najít nová ložiska, nebo využívat jiné.“

    Myslím. že hlavní způsob využívání je možnost maximální recyklace, tedy pokud je to energiticky únosné.
    Současné olověné akumulátory jsou údajně recyklovány už z 95 %.

  3. pochopte už že konceptů na nový baterky je dávno
    pochopte už že konceptů na nový baterky je dávno vymyšlených spoooousta, ale žádný nepřijde a nenahradí lajonky, protože doprodej spalovacích popelnic je nalajnována na desetiletí dopředu a mocní tohoto světa nedovolí nikomu je vodrbat vo kšeft 😉 Je to statečné, ale naprosto zbytečné :))))))))))

    kcc-hho.webnode.cz/supercharger/battery/

      1. na světě jezdí 1.000 miliónů autopopelnic ku 2 milionum
        na světě jezdí 1.000 miliónů autopopelnic ku 2 milionum elektrokár v roce 2017 tj 17 let po novým tisíciletí?? no tak to velká gratulace :)))))

        auto.cz/na-planete-zemi-uz-vice-nez-miliarda-aut-60938

        PS: šáde vyprodukovalo za jeden rok 2017 rekordních 1,5 MEGA autopopelnic ku 0 ks elektrokár, navrhni je na blahořečení :))))))))))))))))))

          1. ale vubec né, maximální legrace docela prdel a zábava u
            ale vubec né, maximální legrace docela prdel a zábava u toho jak autobuzerantům mediálně roste z ostudy kabát 🙂 Dyt už i Franta Diazepan pravdu vo nich ví 🙂 A ty Víš o kom je řeč, nooo ty s protaženým ksich… laufem :)))))

  4. ak „vedci“ vedia, stále to nestačí. teda stačí na
    ak „vedci“ vedia, stále to nestačí. teda stačí na powerpoint.
    a žiaľbohu, generácie výskumníkov, konštruktérov z rokov keď sme za železnou oponou museli vedieť upliesť bič z hovna a plieskal hlasnejšie ako z remeňa (vada bola rozprach kúskov exkrementov, takže prizerajúci boli „pihovatí“) je preč.
    a dnešní „mladí a úspešní“ sa potácajú …

  5. No boha a je to tady zase – další z mnoha průlomových
    No boha a je to tady zase – další z mnoha průlomových článků o průlomových bateriích či akumulátorech.
    Nevím proč autor používá v názvu oba názvy, přitom akumulátor vychází z baterie obecně. Baterie se dělí na akumulátorové a primární (takže buď dokážou akumulovat energii nabíjecím cyklem či nikoliv)
    Dle mého je už název zavádějící!!

    Nehledě na to, že takových alá laboratorních objevů se děje ve všech oborech denně a většina z nich nemají ani žádný význam.
    Proč to sem dáváte nechápu, i když ono to může vypadat zajímavě, ale nic to neřeší bohužel 🙁

  6. Tento článek si vymyslel sám Hořčík, záměrně však
    Tento článek si vymyslel sám Hořčík, záměrně však uvedl jako autora jakéhosi Vencu Diazepana.
    Hořčík, zvolna se probírající ze silvestrovské alkoholmánie, zatoužil po sebeoslavě – cítí se totiž být významným českým mediářem, nositelem těch nejlepších zpráv a ekologickým průkopníkem.
    A jak je to v reálu?
    O tom může být můj další příspěvek…

Napsat komentář