Dobíjecí baterie založená na technologii průkopníka Thomase Edisona se možná konečně dočká svého. Ale zatímco slavný vynálezce si před více než stoletím představoval nikl-železné baterie, které pohánějí automobilový průmysl, vědci nyní věří, že základní koncepty jsou vhodnější pro centra obnovitelné energie. Tvrdí to studie zveřejněná v časopise Malýtým složený z inženýrů z Kalifornské univerzity v Los Angeles vyvinul prototyp baterie, která se dobíjí během několika sekund a vydrží více než 12 000 cyklů používání – což odpovídá více než 30 letům každodenní činnosti.
Dobíjecí elektrická energie není nový koncept. V roce 1900 bylo na silnicích ve Spojených státech ve skutečnosti více elektrických hybridních automobilů než jízd na plyn. V roce 1901 Edison skvěle patentoval fungující olověnou automobilovou baterii, která téměř zahájila úplně jiné 20. století. Bohužel náklady na baterii a její dojezd 30 mil nakonec prohrály se spalovacím motorem dříve, než Edison mohl realizovat nástupce nikl-železné baterie.
Dnes je obnovitelná energie pevně zavedena po více než století inovací – stejně jako destruktivních důsledků fosilních paliv. Zatímco většina lidí zná dobíjecí lithium-iontové baterie, Edisonův nikl-železný koncept není úplně mrtvý. Inženýři UCLA připouštějí, že i když tato technologie není nutně vhodná pro přepravu, ukazuje neuvěřitelný příslib pro použití v infrastrukturních zařízeních, jako jsou solární farmy.
Ačkoli základy zařízení spoléhají na vazby na atomové úrovni na úrovni nanoměřítek, biochemici jako spoluautor studie Maher El-Kady tvrdí, že principy jsou poměrně snadno uchopitelné.
„Lidé si často myslí, že moderní nanotechnologické nástroje jsou komplikované a high-tech, ale náš přístup je překvapivě jednoduchý a přímočarý,“ řekl v nedávném profilu UCLA.
El-Kadyho tým čerpal inspiraci ze dvou primárních zdrojů: elementární chemie a kosterní anatomie. Kosti i skořápky obratlovců se tvoří využitím určitých proteinů jako rámce pro sloučeniny na bázi vápníku.
„Ukládání minerálů správným způsobem vytváří kosti, které jsou pevné, ale dostatečně pružné, aby nebyly křehké. Způsob, jakým se to dělá, je téměř stejně důležité jako použitý materiál a proteiny určují, jak jsou umístěny,“ vysvětlil materiálový vědec a spoluautor studie Ric Kaner.
El-Kady a Kaner uvažovali, zda by mohli přizpůsobit tento systém výměnou vápníku za nikl a železo. Pro své proteiny se obrátili na zbytky vedlejších produktů při zpracování hovězího masa a naplnili je oxidem grafenu – vrstvou uhlíku a kyslíku o tloušťce jednoho atomu. Nakonec se jim podařilo vypěstovat složenou proteinovou strukturu naplněnou kladnými elektrodovými atomy niklu a záporně nabitým železem. Při šířce méně než pět nanometrů by bylo zapotřebí 10 000 až 20 000 shluků, aby dosáhly šířky lidského vlasu.
Atomy kyslíku oxidu grafenu obvykle fungují jako izolant, což by bránilo účinnosti baterie. Tým však měl řešení. Po umístění jejich výtvoru do přehřáté vody vysoké teploty zapékaly proteiny do uhlíku a zároveň odstranily veškerý kyslík. Zároveň jsou tyto kovové shluky dále zasazeny do struktur. Výsledkem byl aerogel, který tvoří téměř 99 procent objemu vzduchu. Odtud přebírá překvapivá dynamika plochy.
„Jak přecházíme od větších částic k těmto extrémně malým nanoklastrům, povrchová plocha se dramaticky zvyšuje. To je obrovská výhoda pro baterie,“ řekl El-Kady. „Když jsou částice tak malé, téměř každý atom se může zúčastnit reakce. Takže nabíjení a vybíjení probíhá mnohem rychleji, můžete uložit více náboje a celá baterie funguje efektivněji.“
Niklo-železná aerogelová baterie El-Kady v současné době nemá ani zdaleka kapacitu úložiště lithium-iontové alternativy, takže není vhodná pro elektromobily. To však neznamená, že jde pouze o čistý chemický experiment. Rychlé nabíjení, dlouhá životnost a vysoký výkon nikl-železné baterie naznačuje, že může dobře fungovat na solární farmě. Baterie by mohla snadno a rychle ukládat přebytečnou elektřinu během dne a poté ji v noci přenášet do sítě. Existují také scénáře, kdy může pomoci zajistit záložní napájení energeticky náročných datových center.
I když je znovuzrození Edisonových nikl-železných baterií stále ještě brzy, věda a know-how existují. A co víc, zcela obchází závislost lithium-iontů na kovech vzácných zemin.
„Pouze mícháme běžné ingredience, aplikujeme jemné zahřívací kroky a používáme suroviny, které jsou široce dostupné,“ řekl El-Kady.
2025 PopSci To nejlepší z toho, co je nového
Čerpáme z těchto zdrojů: google.com, science.org, newatlas.com, wired.com, pixabay.com
