Skladovanie energie sa stalo jednou z kľúčových výziev modernej energetiky. Slnečné a veterné elektrárne produkujú elektrinu nepravidelne a bez spoľahlivého spôsobu jej uchovávania zostáva ich potenciál využitý len čiastočne. Vedci po celom svete hľadajú riešenia, ktoré by boli nielen účinné, ale aj cenovo dostupné a bezpečné.

V posledných rokoch je jednou z najsľubnejších oblastí výskumu práve vývoj lacnejších a ekologickejších alternatív k dnes dominantným lítiovo-iónovým batériám, ktoré sprevádzajú obavy o cenu surovín aj bezpečnosť pri prevádzke.

Nový prístup k vývoju

Výskumníci z Univerzity v Marylande a Brookhavenského národného laboratória nedávno dosiahli pozoruhodný pokrok v oblasti zinkových batérií s vodným elektrolytom. Výsledky svojej práce publikovali v prestížnom vedeckom časopise Nature.

Zinkové batérie patria dlhodobo medzi sľubné alternatívy, pretože zinok je lacný, bežne dostupný, netoxický a dobre kompatibilný s vodou použitou ako elektrolyt. Napriek týmto výhodám sa doteraz nedarilo prekonať problémy s účinnosťou a dlhodobou stabilitou, čo bránilo ich širšiemu komerčnému využitiu.

Hlavným problémom bolo, že pri prevádzke dochádzalo k rozkladu vody v elektrolyte a na povrchu zinkových elektród sa tvorili drobné ihličkovité štruktúry. Tie postupne narúšali funkciu batérie a skracovali jej životnosť.

Klasické vodné elektrolyty s vysokou koncentráciou solí síce tieto problémy čiastočne vyriešili, no za cenu vyššej viskozity a zníženej pohyblivosti iónov, čo nepriaznivo vplývalo na celkový výkon batérií.

Tím vedený profesorom Chunshengom Wangom sa rozhodol tento problém riešiť nie úpravou elektród, ale iným návrhom samotného elektrolytu. Vedci sa zamerali na tzv. sekundárnu usporiadanosť okolo zinkových iónov v roztoku, čo bol aspekt doteraz prehliadaný väčšinou výskumných skupín.

Gemini

Prvý autor štúdie Dejian Dong vysvetlil, že navrhnuté elektrolyty obsahujú fluorované anióny, ktoré okolo zinku vytvárajú stabilný ochranný obal a zároveň chránia elektródu pred nepriaznivými reakciami s vodou. Vďaka tomuto prístupu sa tímu podarilo súčasne zlepšiť viacero vlastností elektrolytu, čo sa predtým považovalo za takmer nemožné, keďže každý pokrok v jednej z oblastí obvykle prinášal zhoršenie v inej.

Nevídaná efektivita

Výsledky testov boli presvedčivé. Batérie dosiahli účinnosť 99,99% počas tisíc nabíjacích a vybíjacích cyklov, pričom táto hodnota výrazne prevyšuje väčšinu doteraz prezentovaných riešení. Energetická hustota článku dosiahla 130 Wh/kg a elektrolyt si zachoval nízku hustotu aj vysokú pohyblivosť iónov.

To sú vlastnosti, bez ktorých by batéria nebola použiteľná v praxi. Okrem toho sú vodné elektrolyty zo svojej podstaty nehorľavé, čo je zásadná bezpečnostná výhoda oproti lítiovo-iónovým systémom, u ktorých zostáva riziko požiaru stále aktuálnym rizikom.

Profesor Wang zdôraznil, že nový prístup k návrhu elektrolytov otvára cestu nielen pre zinkové batérie, ale potenciálne aj pre iné systémy na uchovávanie energie. V praxi by toto riešenie mohlo pomôcť nasadeniu výkonných a lacných batérií vhodných na skladovanie elektriny vo veľkých energetických sieťach napojených na solárne alebo veterné zdroje.

Práve táto oblasť dnes zostáva doménou lítiovo-iónových batérií, no ich vyššia cena a obmedzená dostupnosť niektorých kľúčových surovín, ako napríklad lítia a kobaltu, ich dlhodobo limitujú.

Výskumný tím plánuje v ďalšom výskume rozšíriť túto technológiu na iné typy elektrolytových systémov a pomocou moderných analytických metód lepšie porozumieť dejom prebiehajúcim na rozhraní elektródy a elektrolytu. Ak sa tieto poznatky podarí pretaviť do komerčne dostupných produktov, vodné zinkové batérie by mohli v budúcnosti výrazne zmeniť to, ako uchovávame energiu z obnoviteľných zdrojov.

Čítajte viac z kategórie: Ekológia