Z naslouchátek do elektráren. Míří skromné baterie ke slávě?

Pokud vám uši již úplně neslouží, a přesto dobře slyšíte, dost možná za to vděčíte i zinku. Přesněji malým zinkovým bateriím ve tvaru mince, které jsou oblíbeným zdrojem energie pro naslouchátka a další podobná zařízení.

Zinkové baterie se ovšem z těchto skromných poměrů chtějí vypracovat dál. Na velké sítové systémy, které by mohly být připojeny k elektrické síti a uchovávat solární nebo větrnou energii pro noční dobu nebo v době, kdy vítr nefouká. Zdá se, že potenciál na to mají.

S tím, jak přibývá start-upů a laboratorních studií, “zinkové baterie se stávají hitem,” řekl pro časopis Science Chunsheng Wang, odborník na baterie z Marylandské univerzity v College Parku.

Alternativy letí

Lithium-iontové baterie – obří verze baterií, které se používají v elektromobilech – jsou v současné době jedničkou v ukládání energie z obnovitelných zdrojů, ale příslušné komponenty mohou být drahé. Zinkové baterie jsou šetrnější k peněžence i k planetě – a laboratorní pokusy nyní ukazují, jak obejít jejich hlavní nevýhodu: skutečnost, že je nelze opakovaně dobíjet po celá desetiletí.

Potřeba bateriových úložišť v rozvodné síti roste s tím, jak se zvyšuje množství energie ze slunce, větru a dalších obnovitelných zdrojů. Jak všichni víme, obnovitelné zdroje už nejsou žádnou okrajovou technologií, nebo jen “bruselským výmyslem”. Letos se například prezident Joe Biden zavázal, že do roku 2035 bude americká elektrická síť bezemisní. Aby se vyrovnaly výpadky v dodávkách, bude třeba velkou část energie z obnovitelných zdrojů skladovat po dobu několika hodin nebo dnů, než se znovu vrátí do sítě.

Lithium je dnes stále relativně špatně dostupný kov, který se zatím těží jen v několika málo zemích. Zájemci o jeho využití v bateriích pro rozvodnou síť také budou muset v nejbližších letech o něj soutěžit s automobilkami, které sví produkty prodávají s vyšší marží, než jaká vzniká na výrobě elektřiny.

Lithium-iontové baterie také obvykle používají hořlavý kapalný elektrolyt. To znamená, že megawattové baterie musí mít drahé chladicí a protipožární technologie. Není tedy divu, že se intenzivně hledají alternativy k lithiu.

Levnější, ale se špatnou “zpátečkou”

Na scénu přichází zinek, stříbřitý, netoxický, levný a hojně rozšířený kov. Nenabíjecí zinkové baterie jsou na trhu již desítky let. V poslední době se na trhu objevily i některé zinkové dobíjecí baterie, které však mají obvykle omezenou kapacitu akumulace. Významně se rozvíjí i další technologie – zinkové průtokové baterie. Její provoz však vyžaduje složitější ventily, čerpadla a nádrže. Výzkumníci proto nyní pracují na zdokonalení dalšího typu, zinkovzdušných článků.

V těchto bateriích odděluje elektrolyt na bázi vody s příměsí hydroxidu draselného nebo jiného alkalického materiálu zinkovou anodu a katodu z jiných vodivých materiálů, často z porézního uhlíku. Během vybíjení reaguje vzdušný kyslík s vodou na katodě za vzniku hydroxidových iontů, které migrují k anodě, kde reagují se zinkem za vzniku oxidu zinečnatého. Při reakci se uvolňují elektrony, které proudí z anody ke katodě přes vnější obvod. Dobíjení baterií znamená obrácení toku proudu, což způsobí, že se na anodě znovu vytvoří kovový zinek.

Skladování elektřiny by měl být gigantický byznys i technický problém (foto Tesla)
Skladování elektřiny by měl být gigantický byznys i technický problém (foto Tesla)

Zinkové baterie však těžce snášejí dobíjení. Nepravidelnosti na povrchu anody způsobují, že elektrické pole je na určitých místech intenzivnější, a to má za následek další usazování zinku, které elektrické pole dále zesiluje. Jak se cyklus opakuje, rostou drobné hroty zvané dendrity, které nakonec baterii proděraví a zkratují. Stejně nepříjemné je, že voda v elektrolytu může na anodě reagovat a štěpit se na kyslík a plynný vodík, což může vést k roztržení článků.

V rozletu

Vědci začali tyto nedostatky řešit a ročně publikují téměř 1000 článků z této oblasti. V roce 2017 například Debra Rolison s kolegy z americké Námořní výzkumné laboratoře (NRL) a její kolegové v časopise Science oznámili, že anodu přepracovali na 3D síť z kovového zinku posetou drobnými dutinami. Elektroda tak měla extrémně velký povrch, což snižovalo intenzitu lokálního elektrického pole. Tím se omezoval vznik dendritů a snižovala se pravděpodobnost štěpení molekul vody. NRL poskytla licenci na tuto technologii společnosti EnZinc.

V květnu 20201 zase v úvodu zmíněný Chunsheng Wang a jeho kolegové v časopise Nature Nanotechnology uvedli, že když do svého elektrolytu přidali sůl obsahující fluor, reagovala se zinkem a vytvořila kolem anody pevnou bariéru z fluoridu zinečnatého. Ionty se skrz tuto vrstvu během nabíjení a vybíjení stále mohly dostat, bariéra však bránila růstu dendritů a odpuzovala molekuly vody. Ty se tedy nemohly dostat k anodě, rozkládat se a poškodit baterii. (Vylepšení má tu nevýhodu, že články se vybíjí poněkud pomalu. Tým zkouší přidat na katodu katalyzátory, které urychlí reakci mezi kyslíkem a vodou.)

Stejnou strategii používají i korejští výzkumníci pod vedením Jung-Ho Lee z univerzity Hanyang. V časopise Nature Energy z 12. dubna informovali o vytvoření vláknité a vodivé katody ze směsi mědi, fosforu a síry, která zároveň slouží jako katalyzátor a výrazně urychluje reakci kyslíku s vodou. Díky tomu a dalším vylepšením vznikly baterie, které lze rychle nabíjet a vybíjet a které mají vysokou kapacitu: 460 watthodin na kilogram (ve srovnání s přibližně 75 Wh/kg u standardních zinkových článků s katodami z oxidu manganičitého a nějakých 100-150 Wh/kg u velkých lithium-iontových systémů). Baterie byly stabilní po tisíce nabíjecích a vybíjecích cyklů.

Tyto úspěchy vzbuzují naději, že zinko-vzdušné akumulátory se jednoho dne budou moci vyrovnat lithiovým. Díky nízkým cenám použitých materiálů by zinko-vzdušné baterie pro síťové použití měly – alespoň podle dnešních analýz – stát méně než 100 dolarů za kilowatthodinu. Alespoň teoreticky tedy mají potenciál být cenově konkurenceschopné i v situaci, kdy lithiové baterie už jsou de facto zavedenou technologií. A mají tedy značnou výhodu v objemu investic, které do nich už byly vloženy, a to především ve výrobě. Úspory z rozsahu cejsou totiž hlavním zdrojem zlevňování této technologie v posledních letech.

Právě oblast výroby je dnes Achillovou patou této technologie. Dnes se zinkové články často vyrábí ve velikosti mincí pro naslouchátka či jiné podobné přístroje. Dotáhnout výrobu k systémů o velikosti kontejneru při zachování jejich příznivých charakteristik a výkonů, bude pravděpodobně trvat roky.

Nevýhodou je pak samozřejmě i nedůvěra zákazníků. Než elektrárenské společnosti začnou nakupovat velkokapacitní baterie nějakého typu, chtějí nejprve vidět údaje z roků provozu. Chtějí mít jistotu, že baterie nefunguje jen na papíře nebo v laboratoři. A z ní zatím zinkové – a především zinko-vzdušné – baterie i přes obdivuhodné výsledky zatím nevykročily.

Související články

Vložit komentář...