V současné době se řada pracovišť zabývá vývojem nových technologií a materiálů pro moderní zdroje elektrické energie.
Nové materiály pro moderní zdroje elektřiny - palivové články a lithno-iontové baterie
Vědci z Ústavu anorganické chemie AV ČR se zaměřují na výzkum materiálů pro palivové články a lithno-iontové baterie, které by umožnily nahradit dosavadní kapalné elektrolyty např. gelovými polymery.
Pracoviště v Řeži u Prahy se od roku 1997 zabývá vývojem nových polymerních elektrolytů, tj. materiálů oddělujících kladnou elektrodu baterie od záporné. Ve spolupráci s Ústavem makromolekulární chemie AV ČR byly připraveny a studovány nové gelové elektrolyty s různými methakrylátovými polymery. Pozornost se soustřeďuje na vývoj polymerních elektrolytů na bázi methakrylátů kombinovaných s propylen-karbonátem (PC) a anorganickými chloristany.
STŘÍDÁNÍ GENERACÍ
První generace polymerních elektrolytů byla vyvinuta na bázi poly(ethylenoxidu) (PEO) obsahujícího chloristan lithný (LiClO4). Příprava tenkých filmů tohoto elektrolytu je založena na rozpuštění chloristanu a PEO v acetonitrilu, kdy po odpaření organického rozpouštědla v absolutně suché atmosféře vznikne fólie o tloušťce desítek až stovek mikrometrůetrů. Za běžných teplot je ale vodivost těchto látek nízká. Tento problém měl řešit přídavek tzv. plastifikátorů známých z technologie plastů. Přídavkem poly(ethylenglykoldimethyletheru) se vodivost sice zvýší asi o dva řády, ale jen v oblasti nízkých teplot (pod 0°C).
Nejnovější práce se věnují 3. generaci polymerních elektrolytů, roztok elektrolytu v aprotickém rozpouštědle, ukotvený ve struktuře polymeru. Užití aprotických rozpouštědel, hlavně karbonátů a jejich směsí, značně zvyšuje vodivost připravených látek při běžné laboratorní teplotě. Elektrochemická stabilita polymerních gelových elektrolytů je obvykle vysoká, využitelné potenciálové okno je 3,5 a. 4,5 V.
V praxi pro přípravu gelových elektrolytů slouží dva postupy. U tzv. casting metody se polymer o vhodné molekulové hmotnosti rozpustí v roztoku anorganické soli ve směsi nízko a vysokovroucího aprotického rozpouštědla. Vzniklý roztok je odlit na teflonovou desku a těkavé rozpouštědlo odpařeno ve vakuu. Vzniká ternární gelový elektrolyt polymer rozpouštědlo-lithná sůl. U této metody odpadá polymerizace výchozí směsi, není ale zaručena dokonalá homogenita vzorků.
Metoda výzkumníků z Řeže vychází z monomeru, jenž je míchán s roztokem lithné soli, iniciátoru polymerizace a síťovadla v aprotickém rozpouštědle. Po homogenizaci a odstranění kyslíku proudem dusíku nasyceného monomerem se tepelně nebo ultrafialovým zářením vyvolá polymerizace, výsledkem je ternární gelový elektrolyt. Výhoda metody? Lépe definovaná směs výchozích látek, odpadá mnohahodinové rozpouštění polymeru.
GELOVÝ POLYMER JE VÝHODNĚJŠÍ NEŽ KAPALINA
Dané elektrolyty mají řadu výhod proti dosavadním elektrolytům kapalným: vyšší bezpečnost (nepoužívají se jedovatá organická rozpouštědla), vysoká tvarová flexibilita (možnost výroby velmi tenkých baterií) či odolnost vůči vyšším teplotám a tlakům (např. zařízení, která neobsahují kapalinu, lépe odolají vibracím, mechanickým deformacím a nárazu). Nízká hustota elektrolytu vede ke snížení hmotnosti baterie, polymerní elektrolyty jsou lépe odolné vůči objemovým změnám elektrod, ke kterým dochází během interkalačních a deinterkalačních reakcí (proces nabíjení a vybíjení baterie), dobrá přilnavost gelového elektrolytu k povrchu elektrody brání vytváření jehličkovitých, vláknitých i jinak nepravidelných agregátů na elektrodovém povrchu během používání, a tím snižování kapacity baterie. S tímto efektem se pojí ochrana proti vnitřnímu zkratování baterie. Ačkoliv není známé žádné rozpouštědlo termodynamicky stálé vůči lithiu, gelové elektrolyty vykazují nižší reaktivitu ve srovnání s kapalnými rozpouštědly vzhledem k pevnému skupenství elektrolytu a nižšímu obsahu organického rozpouštědla.
Současný vývoj se zaměřuje na zlepšování parametrů polymerních elektrolytů: zvýšení iontové vodivosti, rozšíření dostupného potenciálového okna a zlepšení dlouhodobé chemické i elektrochemické stability polymeru i ukotveného rozpouštědla. Velmi perspektivní se jeví kombinace elektrochemicky stabilních polymerů a tzv. iontových kapalin, což jsou látky, které sestávají z organického kationtu a objemného anorganického nebo organického aniontu, s bodem tání nižším než 100°C. Jejich vysoká iontová vodivost, téměř nulová tenze par, nehořlavost a výborná elektrochemická stabilita předurčuje iontové kapaliny mj. jako vhodné elektrolyty pro nové 5V lithno-iontové baterie a superkondenzátory, tedy zařízení s velmi vysokou kapacitou 102 - 104 F. To je asi milionkrát vyšší hodnota oproti klasickým kondenzátorům. Polymerní gelové elektrolyty na bázi akrylátů a PEO byly úspěšně použity v superkondenzátorech na principu nabíjení elektrické dvojvrstvy. Ta vzniká na rozhraní gelový elektrolyt - uhlík, který má vysoký měrný povrch (až 2000 m2 g-1). Akumulace energie (nabíjení) tudíž probíhá bez jakýchkoliv chemických změn elektrod a elektrolytu. Jde o fyzikální proces probíhající velice rychle, v řádu sekund.
ŠETRNĚJŠÍ K PŘÍRODĚ I PENĚŽENCE
V případě palivových článků jde hlavně o výrazné snížení negativního vlivu na životní prostředí a investičních nákladů, neboť v současné době se používají velmi drahé materiály (membrány odvozené od teflonu Nafion a platinové kovy). V zájmu vědců z Ústavu anorganické chemie AV ČR je hledání membrán zcela nového typu a k nim vhodných elektrokatalyzátorů. Užitím inovované technologie by cena palivových článků výrazně poklesla, což umožní jejich použití i pro obecné potřeby. Dále zkoušejí novou metodu přípravy katalyzátorů na bázi oxidů přechodných kovů s co nejlevnějšími, a přitom příznivými vlastnostmi. V obou případech spolu se zahraničními kolegy z Národního chemického ústavu (Ljubljana, Slovinsko), University of Southampton (Velká Británie) a Laboratoře elektrochemie a fyzikální chemie materiálů (Grenoble, Francie).
K vývoji nových prvků pro moderní zdroje elektrické energie přispívají i na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií (FEKT) VUT v Brně. Např. v období 1999 - 2004 řešili tamní vědci úkol "Výzkum zdrojů, akumulace a optimalizace využití elektrické energie v ekologických aplikacích". Po prodloužení výzkumného záměru, pak pokračoval výzkum v oblasti vývoje laboratorních vzorků elektrochemických součástek (lithno-iontových článků, superkondenzátorů, elektrochromních modulátorů světla), testování grafitových elektrod pro lithno-iontové baterie, využívající vyvinuté gelové elektrolyty, vývoj membránových kyslíko-vodíkových palivových článků s důrazem na výrazné snížení ceny a zdokonalení modelového palivového článku, užívajícího nové membrány.
AUTOR: Jakub Reiter
Pracoviště v Řeži u Prahy se od roku 1997 zabývá vývojem nových polymerních elektrolytů, tj. materiálů oddělujících kladnou elektrodu baterie od záporné. Ve spolupráci s Ústavem makromolekulární chemie AV ČR byly připraveny a studovány nové gelové elektrolyty s různými methakrylátovými polymery. Pozornost se soustřeďuje na vývoj polymerních elektrolytů na bázi methakrylátů kombinovaných s propylen-karbonátem (PC) a anorganickými chloristany.
STŘÍDÁNÍ GENERACÍ
První generace polymerních elektrolytů byla vyvinuta na bázi poly(ethylenoxidu) (PEO) obsahujícího chloristan lithný (LiClO4). Příprava tenkých filmů tohoto elektrolytu je založena na rozpuštění chloristanu a PEO v acetonitrilu, kdy po odpaření organického rozpouštědla v absolutně suché atmosféře vznikne fólie o tloušťce desítek až stovek mikrometrůetrů. Za běžných teplot je ale vodivost těchto látek nízká. Tento problém měl řešit přídavek tzv. plastifikátorů známých z technologie plastů. Přídavkem poly(ethylenglykoldimethyletheru) se vodivost sice zvýší asi o dva řády, ale jen v oblasti nízkých teplot (pod 0°C).
Nejnovější práce se věnují 3. generaci polymerních elektrolytů, roztok elektrolytu v aprotickém rozpouštědle, ukotvený ve struktuře polymeru. Užití aprotických rozpouštědel, hlavně karbonátů a jejich směsí, značně zvyšuje vodivost připravených látek při běžné laboratorní teplotě. Elektrochemická stabilita polymerních gelových elektrolytů je obvykle vysoká, využitelné potenciálové okno je 3,5 a. 4,5 V.
V praxi pro přípravu gelových elektrolytů slouží dva postupy. U tzv. casting metody se polymer o vhodné molekulové hmotnosti rozpustí v roztoku anorganické soli ve směsi nízko a vysokovroucího aprotického rozpouštědla. Vzniklý roztok je odlit na teflonovou desku a těkavé rozpouštědlo odpařeno ve vakuu. Vzniká ternární gelový elektrolyt polymer rozpouštědlo-lithná sůl. U této metody odpadá polymerizace výchozí směsi, není ale zaručena dokonalá homogenita vzorků.
Metoda výzkumníků z Řeže vychází z monomeru, jenž je míchán s roztokem lithné soli, iniciátoru polymerizace a síťovadla v aprotickém rozpouštědle. Po homogenizaci a odstranění kyslíku proudem dusíku nasyceného monomerem se tepelně nebo ultrafialovým zářením vyvolá polymerizace, výsledkem je ternární gelový elektrolyt. Výhoda metody? Lépe definovaná směs výchozích látek, odpadá mnohahodinové rozpouštění polymeru.
GELOVÝ POLYMER JE VÝHODNĚJŠÍ NEŽ KAPALINA
Dané elektrolyty mají řadu výhod proti dosavadním elektrolytům kapalným: vyšší bezpečnost (nepoužívají se jedovatá organická rozpouštědla), vysoká tvarová flexibilita (možnost výroby velmi tenkých baterií) či odolnost vůči vyšším teplotám a tlakům (např. zařízení, která neobsahují kapalinu, lépe odolají vibracím, mechanickým deformacím a nárazu). Nízká hustota elektrolytu vede ke snížení hmotnosti baterie, polymerní elektrolyty jsou lépe odolné vůči objemovým změnám elektrod, ke kterým dochází během interkalačních a deinterkalačních reakcí (proces nabíjení a vybíjení baterie), dobrá přilnavost gelového elektrolytu k povrchu elektrody brání vytváření jehličkovitých, vláknitých i jinak nepravidelných agregátů na elektrodovém povrchu během používání, a tím snižování kapacity baterie. S tímto efektem se pojí ochrana proti vnitřnímu zkratování baterie. Ačkoliv není známé žádné rozpouštědlo termodynamicky stálé vůči lithiu, gelové elektrolyty vykazují nižší reaktivitu ve srovnání s kapalnými rozpouštědly vzhledem k pevnému skupenství elektrolytu a nižšímu obsahu organického rozpouštědla.
Současný vývoj se zaměřuje na zlepšování parametrů polymerních elektrolytů: zvýšení iontové vodivosti, rozšíření dostupného potenciálového okna a zlepšení dlouhodobé chemické i elektrochemické stability polymeru i ukotveného rozpouštědla. Velmi perspektivní se jeví kombinace elektrochemicky stabilních polymerů a tzv. iontových kapalin, což jsou látky, které sestávají z organického kationtu a objemného anorganického nebo organického aniontu, s bodem tání nižším než 100°C. Jejich vysoká iontová vodivost, téměř nulová tenze par, nehořlavost a výborná elektrochemická stabilita předurčuje iontové kapaliny mj. jako vhodné elektrolyty pro nové 5V lithno-iontové baterie a superkondenzátory, tedy zařízení s velmi vysokou kapacitou 102 - 104 F. To je asi milionkrát vyšší hodnota oproti klasickým kondenzátorům. Polymerní gelové elektrolyty na bázi akrylátů a PEO byly úspěšně použity v superkondenzátorech na principu nabíjení elektrické dvojvrstvy. Ta vzniká na rozhraní gelový elektrolyt - uhlík, který má vysoký měrný povrch (až 2000 m2 g-1). Akumulace energie (nabíjení) tudíž probíhá bez jakýchkoliv chemických změn elektrod a elektrolytu. Jde o fyzikální proces probíhající velice rychle, v řádu sekund.
ŠETRNĚJŠÍ K PŘÍRODĚ I PENĚŽENCE
V případě palivových článků jde hlavně o výrazné snížení negativního vlivu na životní prostředí a investičních nákladů, neboť v současné době se používají velmi drahé materiály (membrány odvozené od teflonu Nafion a platinové kovy). V zájmu vědců z Ústavu anorganické chemie AV ČR je hledání membrán zcela nového typu a k nim vhodných elektrokatalyzátorů. Užitím inovované technologie by cena palivových článků výrazně poklesla, což umožní jejich použití i pro obecné potřeby. Dále zkoušejí novou metodu přípravy katalyzátorů na bázi oxidů přechodných kovů s co nejlevnějšími, a přitom příznivými vlastnostmi. V obou případech spolu se zahraničními kolegy z Národního chemického ústavu (Ljubljana, Slovinsko), University of Southampton (Velká Británie) a Laboratoře elektrochemie a fyzikální chemie materiálů (Grenoble, Francie).
K vývoji nových prvků pro moderní zdroje elektrické energie přispívají i na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií (FEKT) VUT v Brně. Např. v období 1999 - 2004 řešili tamní vědci úkol "Výzkum zdrojů, akumulace a optimalizace využití elektrické energie v ekologických aplikacích". Po prodloužení výzkumného záměru, pak pokračoval výzkum v oblasti vývoje laboratorních vzorků elektrochemických součástek (lithno-iontových článků, superkondenzátorů, elektrochromních modulátorů světla), testování grafitových elektrod pro lithno-iontové baterie, využívající vyvinuté gelové elektrolyty, vývoj membránových kyslíko-vodíkových palivových článků s důrazem na výrazné snížení ceny a zdokonalení modelového palivového článku, užívajícího nové membrány.
AUTOR: Jakub Reiter
Zdroj:Technik
Sdílet článek na sociálních sítích
