Milníky pro výzkum baterií a energie

Klimatická změna, nárůst CO₂ na jedné straně a rostoucí světová populace při stále vzácnějších zdrojích na straně druhé podněcují diskusi o odchodu od uhelné energie a náhradě fosilních paliv. Obecně požadovaná energetická transformace vzbuzuje velká očekávání a přináší ještě větší výzvy. Balíčky na ochranu klimatu a různé programy na snižování emisí CO₂ jsou požadovány vědou, průmyslem i politikou a jsou vyvíjeny. Budoucí technologie, jako je alternativní získávání energie a inovativní koncepty skladování energie, stejně jako k tomu nezbytné nové materiály, jsou podmínkou a klíčem k úspěšné realizaci energetické transformace. Velká očekávání jsou kladena na výzkum baterií a elektromobilita je považována dokonce za nadějný nositel. Závod o čas a nejlepší koncepty již začal.

Budoucí technologie

V současnosti a v blízké budoucnosti jsou lithium-iontové baterie stále nejvýkonnějšími nositeli výkonu v mobilním i stacionárním zásobování energií. Teprve díky nim se stala elektromobilita možnou a praktickou. S ohledem na nedostatek zdrojů je však naléhavě potřeba hledat alternativy. Vzhledem k tomu, že vývoj vysoce výkonných bateriových systémů je velmi složitý, vyžaduje interdisciplinární výzkumné strategie a sítě ve vědě i průmyslu.

Baterie příští generace

Vývoj udržitelných a ekologicky šetrných skladovacích systémů patří mezi velké výzvy energetické transformace. Dosud velmi úspěšně používané kompaktní lithium-iontové baterie mají díky vynikající energetické a výkonové hustotě velký tržní potenciál, avšak jejich výroba je z hlediska energie a rostoucí poptávky po cenných a vzácných surovinách, jako jsou lithium a kobalt, extrémně nákladná a sporná. Proto se stále více volají po energeticky efektivnějších, výkonnějších, levnějších a ekologičtějších alternativách. Natrium-iontové baterie by mohly v budoucnu nabídnout vhodná řešení.

Potřeba výzkumu je vysoká. „Tento směr výzkumu právě zažívá bouřlivý rozmach. V Německu zřídila Německá výzkumná společnost (DFG) v dubnu specializovaný program (12,6 milionu EUR, doba trvání 6 let) a EU vytvořila tréninkovou síť (ITN, 4 miliony EUR, doba trvání 4 roky) – oba programy mohu koordinovat,“ uvádí profesor Dr. S. Ulrich Schubert z „Centra pro energii a environmentální chemii“ (Center for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) na Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Zájem a investice společnosti Evonik Industries AG jasně ukazují i ekonomický potenciál. A stále je velký zájem z Číny a Japonska.“

Také Spolkový ministr školství a výzkumu (BMBF) financuje společný projekt „Transition“ na udržitelnější skladování energie částkou 1,15 milionu eur. Do projektu jsou zapojeny Helmholtz-Institut Ulm (HIU), založené Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Centrum pro solární energii a výzkum vodíku v Bádensku-Württembersku (ZSW) a opět Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU). Cílem je vyvinout alternativu k tradičním lithium-iontovým bateriím. V tomto projektu vědci zkoumají vhodné aktivní materiály a elektrolyty pro natrium-iontové baterie příští generace.

„Polymerové baterie, tj. baterie, které používají polymery jako aktivní materiály pro ukládání elektrické energie, jsou od roku 2011 intenzivně zkoumány v mé pracovní skupině,“ poznamenává profesor Schubert. „Poprvé jsme představili tenkovrstvou baterii vyrobenou pomocí tisku inkoustem. Také jsme patentovali a publikovali řadu nových aktivních materiálů. Společnost Evonik Industries AG právě komercializuje tyto nové polymery jako tisknutelné inkousty (pod značkou „TAeTTOOz“).“

Inovativní baterie mají být udržitelné a ekologicky šetrné, cenově dostupné a zároveň vysoce výkonné. Vývoj nových bezmetalových a tisknutelných energetických uložišť na polymerové bázi otevírá perspektivní oblasti použití ve zdravotnictví, v senzorech a pro internet věcí. „To se týká především oblasti tisknutelných tenkovrstvých baterií. Od aktivních RFIT tagů přes „náplasti“ pro přenos zdravotních funkcí až po chytré oblečení,“ doplňuje profesor Dr. Ulrich Schubert.

Energetická účinnost a vysoký výkon

Baterie musí prokázat svou funkčnost a výkon i za nejtěžších podmínek. Současně musí být vyloučena rizika a potenciální nebezpečí při nesprávném použití či zničení po celou dobu životnosti. A především v diskusi o elektromobilitě je klíčová dlouhodobá provozuschopnost bateriových článků.

Nové baterie na polymerové bázi mají oproti zavedeným lithium-iontovým bateriím řadu výhod. Již samotná výroba těchto baterií je díky použití organických a polymerních materiálů podstatně energeticky efektivnější. Polymery jako aktivní materiály vyžadují podstatně menší uhlíkovou stopu při výrobě. Navíc jsou obecně méně toxické a méně hořlavé. Tyto baterie lze zpracovávat pomocí tiskových technik (síťotisk, tisk pomocí inkoustu, rolovací tisk).

Stejně tak platí i pro jejich použití. Nakonec jsou i likvidace a recyklace ekologičtější a výrazně levnější. Baterie s polymery jako aktivním elektrodovým materiálem jsou také udržitelnější, protože se může upustit od použití těžkých kovů. Prototyp natrium-iontové baterie, například z projektu Transition, má na anodové straně tvrdý uhlík na bázi biomasy v kombinaci s vodivými pojivy a hliníkem jako sběračem proudu, zatímco na katodové straně jsou použitá přechodová kovová oxidy. Zlepšené vztahy mezi strukturou a vlastnostmi dále vytvářejí předpoklady pro řízené elektrochemické reakce.

Elektromobilita

V krátkodobém a střednědobém horizontu jsou lithium-iontové baterie díky své výkonnosti a energetické hustotě považovány za motor veškeré elektromobility. Zajišťují provozní dobu a dojezd v závislosti na vnějších podmínkách, jako jsou oblasti použití, teploty a styl jízdy. V dohledné době natrium-iontové baterie nenahradí lithium-iontové, ale podle odborníků je pouze doplní. V oblasti elektromobility je rovněž zvažován potenciál vodních technologií za dodržení různých bezpečnostních aspektů.

Analytika a charakterizace

Každý výsledek výzkumu a vývoje je tak dobrý, jako je jeho doprovodná analýza. Proto jsou moderní analytické metody pro stanovení elektrolytů a identifikaci stopových látek, surovin a složek materiálů v dnešním výzkumu baterií nezbytné. Nejnovější přístrojové technologie pro taková měření a testování materiálů jsou na analytice v Mnichově široce prezentovány. Experti na světové výstavě analytica představují nejnovější technologie a metody z oblasti chromatografie, spektrometrie, mikroskopie, povrchové a iontové analýzy. V živé laboratoři plastové analýzy/polymery je možné sledovat živé experimenty. Zájemci mají možnost v reálné laboratoři zažít inovace v oblasti analýzy plastů a materiálů přímo na místě.

Od 30.3. do 3.4. se odborná veřejnost na analytice v Mnichově dozví o nejdůležitějších novinkách v oboru. Expertní znalosti a inovativní analytické technologie představují obrovskou přidanou hodnotu pro výzkum nových systémů baterií. V Mnichově umožňují klíčové technologie nahlédnout do budoucnosti.