Vědci z Texasu zkouší vyvinout baterie, které budou součástí karoserie auta

Čerstvá práce texaských vědců ukazuje, že jimi vytvořená elektroda dokáže posloužit jako opora konstrukce dopravního prostředku.

Elektromobily bezesporu pokročily natolik, aby ze hry vyřadily dosavadní škodliviny emitující vládce silnic. Svým nemalým dílem úspěch podpořila kvalita lithiových akumulátorů. Ty jsou navzdory postupnému zlepšování stále příliš těžké a objemné.

Trn v patě lithiových článků se drtivá většina badatelů snaží vytrhnout zvýšením energetické hustoty. Nicméně ti z nich co mají Filipa, vědí o jiném přístupu. Smysluplnější redukci hmotnosti lze dosáhnout spojením funkce nosných prvků s funkcí akumulátorů, což je obrovská technologická výzva.

Nejedná se totiž pouze o vložení zdroje do volného prostoru ve vyztužené karoserii. Strukturální elektrochemické články budou opravdu zároveň napájet pohonný systém a poskytovat oporu konstrukci. Udělat něco takového je těžké, protože je nutné skloubit protichůdné požadavky.

Obvykle používanému materiálu elektrod schází nezbytné mechanické vlastnosti. Také po elektrolytu se vyžaduje tuhost a přitom je potřeba, aby si ionty zachovaly volnost pohybu. Hodně to omezuje rozmanitost složek, které jdou do takových článků začlenit.

Vlastně se v publikacích téměř výlučně vyskytuje sendvič elektrod odvozených z uhlíkových vláken, polymerní elektrolyt a separátor ze skleněných vláken. Laminováním všech těchto opakovaně vrstvených součástí epoxidovou pryskyřicí se zrodí odolný vícefunkční kompozit ne nepodobný těm jednofunkčním.

Bohužel průkopníkům jde snadněji zavádět do strukturálních zdrojů princip superkondenzátoru. Z toho důvodu figurují v pokročilých experimentech nejčastěji. Jenže mají obrovskou nevýhodu.

Byť absorbují nebo vydávají okamžitě velké množství energie, udělují zařízení směšnou energetickou hustotu několik desetin až jednotek Wh/kg (běžný lithiový článek ~200 Wh/kg).

První kdo v roce 2013 ohlásil dovršení práce na zabudování strukturálního zdroje do konstrukčních dílů reálného automobilu byla společnost Volvo. Ta ovšem představovala pouze pověstnou viditelnou špičku ledovce. Počátkem dekády při řešení projektu ohromujícího komplexitou navázalo spolupráci devět evropských partnerů a automobilka byla jen jedním z nich.

V seznamu uvedených cílů bylo proměnit víko zavazadlového prostoru či střechu hybridního vozu na skladiště energie a tím zařídit zchudnutí dopravního prostředku o 15 %. Nasazená patentovaná technologie vycházela z poznatků získaných na Královské univerzitě v Londýně.

Už na začátku testování bylo jasné, že to nebude masová záležitost. Snaha směřovala hlavně k provedení plnohodnotné demonstrace a k zajištění, aby Evropa nezameškala za ostatními soupeři. Tento účel iniciativa splnila. Rozhodně vedla k lepším elektrodám, elektrolytu, pryskyřici, výrobním postupům a získání neocenitelných zkušeností.

Nicméně někteří doufali v rutinní nasazení. Přehnané očekávání z mnohdy špatně interpretované tiskové zprávy nemělo šanci na úspěch. Bránila tomu ona technologie superkondenzátoru. Vzhledem k nízkému množství nastřádané energie nemůže superkapacitor nahradit konvenční akumulátor.

Ve Volvu s tím ani nepočítali. Jejich naprosto rozumná vize spočívala použít ho pro rekuperaci energie zachráněné při brždění. Význam strukturálního zdroje se tak degradoval na doplněk dovolující jeden pořádný rozjezd nebo pomocníka k nastartování spalovacího motoru zaskakujícího za dvanácti voltovou autobaterii.

Daleko větší důsledky by přinesl všestranný kompozit “přehazující” si mezi elektrodami atomy lithia. Jestli se to podaří, radikálně vzroste kapacita. Je to mimořádně lákavé, a proto vědci tuto variantu nenechávají na pokoji a intenzivně ji zkoumají. Za sebou zanechávají hmatatelné úspěchy, i když dílčí.

Nyní tým pod vedením Jodie Lutkenhaus z Texas A&M University navrhl elektrodu s dramaticky zlepšenou pevností v tahu primárně vhodnou k sestavení superkondenzátoru. Přesto podle šéfky skupiny vše nasvědčuje, že elektroda dokáže pojmout i lithium a spolehlivě sloužit v lithiových akumulátorech.

Recept na ni je dvojnásobně přitažlivý. Jednak si vědci nechali poradit od přírody a nadto tento okoukaný patent spojili se sloučeninou, která je v kurzu a nesmí chybět v žádném moderním vynálezu. Vždyť z kombinace dopaminu, oxidu grafenu a aramidových vláken (kevlar) nemůže vzniknout nic podřadného.

Každá z komponent má přesně rozdělenou úlohu. Kevlarová vlákna poskytla pro hmotu lešení. Oxid grafenu propůjčil velký povrch nutný pro sběr elektrického náboje v superkondenzátoru a také zároveň schopnost interkalovat lithium. Nakonec dopamin chelatovaný ionty vápníku nesourodé části slepil do jednoho nezničitelného celku.

Aby bylo jasné o čem je řeč, dopamin se přirozeně nachází v mozku. Je využíván k přenosu signálu mezi synapsemi neuronů. Například destrukce drah obsluhovaných dopaminem stojí za příčinou Parkinsonovy choroby. Vědce ovšem neinspiroval mozek, ale superadhezivní gel produkovaný některými mořskými živočichy.

K životnímu stylu kolonií korýšů řazených pod svijonožce či měkkýše slávky jedlé patří přichytávat se k pevnému podkladu lepidlem, jemuž se nevyrovná žádný přípravek z drogerie. Kolonie přirozeně obývají skály, útesy nebo žijí na tělech kytovců. Rovněž obsazují trup lodí, čímž vytáčejí k nepříčetnosti majitele, jimž nezbývá nic jiného, než je nechat pořád dokola a s velkými náklady odstraňovat.

Hydrogely různých živočichů nejsou zřejmě ekvivalentní. Jeden společný jmenovatel přesto mají. Je jím protein bohatý na aminokyselinu podobnou dopaminu. Pro kopírování zázračné strategie odborníci zvolili jednodušší proteinů prostý postup. Vzali přímo čistý dopamin. Elektroda se pomocí něho připravovala takto:

Nejprve byl na prášek oxidu grafenu přichycen dopamin. Pouto vznikne po vzájemném kontaktu látek interakcemi, jež nejsou pravou chemickou vazbou. Z takto upraveného oxidu a kevlarových vláken se následně vytvořila suspenze v kapalině. Z ní se vytvaroval list prostým vylitím na filtr pod nimž bylo vakuum.

Kapalinu podtlak odsál a na filtru zůstal nános, který se nakonec prolil roztokem vápenatých iontů. Ty skrze dopamin koordinační vazbou propojily částečky oxidu grafenu a vznikla soudržná hmota vytvořená stylem cihla a malta.

Materiál charakterizuje dosud největší multifunkční účinnost, což je hodnota určena na základě mechanického a elektrochemického výkonu. Pro klasické materiály vychází číslo menší než jedna, přičemž novinka se honosí údajem v intervalu 5-13,6.

Tento výzkum posouvá blíž bod, kdy se otevřou dveře pro vývoj lechčích elektrických vozů nebo letadel. Jak můžete sami posoudit podle hrubé rozpracovanosti, je ona doba stále na hony vzdálená.