Dve farebné tekutiny prebublávajúce trubicami: Takto vyzerá batéria budúcnosti? Výskumník Empa David Reber sa rozhodol odpovedať na túto otázku v priebehu nasledujúcich štyroch rokov s podporou grantu Ambizione od Švajčiarskej národnej vedeckej nadácie (SNSF).

Takzvané redox-prietokové batérie sú známe už od 70. rokov minulého storočia. Na rozdiel od bežných lítium-iónových batérií neukladajú energiu do pevných elektród, ale do nádrží obsahujúcich tekuté roztoky elektrolytov. Proces nabíjania a vybíjania neprebieha v samotných nádržiach; namiesto toho sa elektrolyty čerpajú cez elektrochemický článok.

Tekuté batérie sú nepraktické pre mobilné telefóny, notebooky alebo autá. Ale sú veľmi sľubné pre stacionárne skladovacie riešenia. Keďže energia je uložená mimo skutočného článku, prietokové batérie môžu ťažiť z jednoduchého a cieleného škálovania. Väčší elektrochemický článok umožňuje rýchlejšie nabíjanie a vybíjanie batérie, väčšie nádrže s elektrolytom umožňujú uložiť viac energie.

„Keďže využívame viac obnoviteľnej energie, budeme potrebovať skladovanie energie vo veľkom meradle – dokonca aj v mestských oblastiach,“ hovorí Reber. Ďalší bod pre prietokové batérie: Ak sa použijú elektrolyty na vodnej báze, sú na rozdiel od bežných lítium-iónových batérií v zásade nehorľavé.

Outsourcovaná hustota energie

Napriek tomu sa technológia ešte neuchytila. Reber pozná hlavný problém: „Prietočné batérie majú hustotu energie približne desaťkrát nižšiu ako batérie vyrobené z pevných akumulačných materiálov,“ vysvetľuje. Čím viac akumulačného materiálu môže byť rozpustených v elektrolyte, tým vyššia je hustota energie prietokovej batérie. „Vysoké koncentrácie však zahusťujú roztok a potrebujete oveľa viac energie, aby ste ho pumpovali cez bunku,“ hovorí výskumník.

Reber chce teraz vo svojej práci v laboratóriu Materials for Energy Conversion spoločnosti Empa vyriešiť presne tento problém – s neobvyklým prístupom. Zatiaľ čo väčšina projektov v oblasti prietokových batérií sa zameriava na lepšiu rozpustnosť akumulačných materiálov, on chce úplne oddeliť skladovanie energie od roztoku elektrolytu.

„Mojou víziou je vyvinúť hybrid typu prietokovej batérie a lítium-iónovej batérie,“ hovorí. Aby to bolo možné, Reber chce do nádrže prietokovej batérie pridať pevné úložné materiály, ako sú tie, ktoré sa používajú v batériách mobilných telefónov. „Ak sú rozpustený materiál a pevný skladovací materiál presne zladené, môžu si navzájom prenášať energiu,“ vysvetľuje Reber. „To umožňuje kombinovať škálovateľnosť prietokových batérií s vysokou hustotou energie batérií s pevnými skladovacími materiálmi.“

Hľadajú sa: vhodné materiály

Najprv však musí výskumník nájsť vhodné páry materiálov, ktoré umožňujú výmenu energie a zároveň zostávajú stabilné počas dlhšieho časového obdobia. „V ideálnom prípade by redoxná prietoková batéria mala byť schopná prevádzky približne 20 rokov,“ hovorí.

Či sa pár materiálov k sebe hodí, závisí od toho, čo je známe ako redoxný potenciál látok: pri akom napätí darujú alebo prijímajú elektróny. „Už mám na mysli niekoľko možných párov,“ hovorí Reber. A ak sa sľubný pár celkom nezhoduje, jeho redoxné potenciály možno manipulovať pomocou určitých chemických úprav. Jedným z Reberových nápadov je použiť chelát ako rozpustený skladovací materiál: viac-ramennú organickú molekulu, ktorá sa „obalí“ okolo kovového iónu. V závislosti od toho, koľko ramien má organická molekula – ligand, sa mení redoxný potenciál.

Reber už počas svojho postdoktorandského obdobia na University of Colorado Boulder uskutočnil výskum redoxných prietokových batérií na báze chelátov, za čo získa prestížne ocenenie Battery Division Postdoc Award na výročnom stretnutí Electrochemical Society v Göteborgu v októbri.

Na konci štvorročného obdobia financovania Ambizione Reber dúfa, že bude mať dobre fungujúcu batériu s dodatočným pevným úložiskom. „Ak tento prístup funguje, potenciálne aplikácie sú veľmi rôznorodé,“ hovorí. Napríklad kompaktné prietokové batérie s flexibilným tvarovým faktorom by bolo oveľa jednoduchšie integrovať v mestských oblastiach. „Stačili by na to čerpadlá a niekoľko potrubí,“ dodáva výskumník.

Zdroj: https://www.nanowerk.com/