Výzkumníci ukazují, jak reakce nabíjení a vybíjení probíhají za provozu s nanometrovou přesností. Jülich, 3. listopadu 2017 – Železo-vzdušné baterie slibují značně vyšší hustoty energie než současné lithium-ion baterie. Navíc jejich hlavní složka – železo – je hojný a tudíž levný materiál. Vědci z Forschungszentrum Jülich patří mezi hlavní tahouny obnovených výzkumů tohoto konceptu, který byl objeven už v 70. letech.


Spolu s americkou Oak Ridge National Laboratory (ORNL) úspěšně s nanometrovou přesností pozorovali, jak se během této operace tvoří nánosy na železné elektrodě. Na hlubší pochopení reakcí nabíjení a vybíjení přitom pohlíží jako na klíč k dalšímu vývoji tohoto typu dobíjitelných baterií, aby to dotáhli k nasazení na trh jako vyspělý výrobek. Výsledky publikovali v renomovaném žurnálu Nano Energy.

Z různých důvodů, kvůli nimž se dostával do nepřekonatelných technických těžkostí, byl výzkum kovo-vzdušných baterií v 80. letech nadlouho opuštěn. Avšak v posledních letech jsme zažili rychlý nárůst zájmu výzkumníků. Železo-vzdušné baterie čerpají svou energii z reakce mezi železem a kyslíkem. Železo v tomto procesu oxiduje téměř úplně stejně, jako se to děje při procesu rezivění. Kyslík potřebný pro tuto reakci lze čerpat z okolního vzduchu, takže se v baterii skladovat nemusí. Tato úspora materiálu je důvodem vyšší hustoty uložené energie, které se v kovo-vzdušných bateriích dosahuje.

Hustoty uložené energie různých kovo-vzdušných bateriových systémů v porovnání Li-ion bateriemi a s konvenčním benzínem vyjádřené jako Wh/kg (gravimetricky) a ve Wh/l (volumetricky). Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

Železo-vzdušné baterie by podle předpovědí mohly teoreticky dosahovat hustoty energie více než 1 200 Wh/kg. Pro srovnání současné lithium-iontové baterie vychází na asi 600 Wh/kg, ale když se vezme v úvahu nutné pouzdro baterie, tak to není ani 350 Wh/kg. Lithium-vzdušné baterie, které je technicky udělat daleko obtížnější mohou mít hustotu energie až 11 400 Wh/kg. Pokud by šlo o volumetrickou hustotu energie, pak si baterie železo-vzduch vedou ještě lépe: 9 700 Wh/l, což je téměř pětinásobek oproti současným litihium-iontovým bateriím (2 000 Wh/l). I lithium-vzdušné baterie mají „jen“ 6 000 Wh/l. Železo-vzdušné baterie jsou tudíž zvláště zajímavé pro četné mobilní aplikace, v nichž velkou roli hrají požadavky, aby zabíraly malé místo.

„Svědomitě se soustřeďujeme na výzkum takových typů baterií, které jsou z materiálů, kterých je v zemské kůře spousta dají se vyrábět v ohromných množstvích,“ vysvětluje šéf tohoto institutu Prof. Rüdiger-A. Eichel. „Pak nelze očekávat, že by vznikl nedostatek nabídky. Tento koncept je rovněž spojen s výhodou nízké nákladovosti, když toho lze přímo použít na baterie, zvláště pro aplikace velkého rozsahu jako jsou stacionární zařízení pro stabilizátory elektrických sítí nebo elektromobily.“

Těžké podmínky pro analýzy

Vhled do problematiky dosažený výzkumníky z Jülich vytvořil novou základnu pro zlepšení vlastností cílových baterií. Při využití in situ elektrochemických mikroskopů atomárních sil v Centru vědy o nanofázových materiálech v Oak Ridge National Laboratory se jim podařilo pozorovat jak se na železné elektrodě za podmínek podobných při nabíjení a vybíjení vytváří nánosy částic hydroxidu železnatého Fe(OH)2.

Změny na povrchu elektrody v průběhy čtyř redoxních cyklů – nabíjení/vybíjení Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

„Pro tento instrument tvoří hranici použitelnosti pouze vysoké pH o velikosti 13,7 vysvětluje Henning Weinrich z Jülichova institutu pro Energii a klimatický výzkum (IEK-9). „Byli jsme první, kdo v Oak Ridge úspěšně takový experiment provedl za reálných podmínek,“ říká Weinrich, který jen kvůli těmto měřením zůstal v USA po čtyři měsíce.

Nánosy zvyšují kapacitu

Tyto nánosy nesnižují výkon takové baterie. Právě naopak, jelikož taková nanoporézní vrstva zvyšuje aktivní povrch oblasti elektrody, čímž mírně zvyšuje po nabíjecích a vybíjecích cyklech kapacitu. Vědci díky tomuto šetření poprvé získali úplný obrázek toho, jak taková vrstva roste. „Předtím se předpokládalo, že během cyklů nabíjení a vybíjení dochází k reverzi těchto nánosů. Ale zjevně tomu tak není,“ vysvětluje Dr. Herman Tempel z Jülichova institutu pro Energii a klimatický výzkum (IEK-9). Navíc byla ověřena přímá vazba mezi tvorbou vrstvy a na povrchu elektrody a elektrochemickými reakcemi.

Ovšem než to dotáhneme do tržní vyspělosti, tak nás čeká ještě dlouhá cesta. Ač izolované elektrody zhotovené ze železa lze provozovat bez zvláštních ztrát energie při laboratorních experimentech po několik tisíc cyklů, tak úplné železo-vzdušné baterie, které využívají vzdušnou elektrodu jako opačný pól, nám zatím vydržely jen 20 až 30 cyklů.

Schéma měřící metody: špička in situ mikroskopu elektrochemických atomárních sil skenuje povrch železné elektrody. Odklony laserového paprsku odhalují prostorové nepravidelnosti, které lze vzájemně v průběhu několika cyklů porovnávat. Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

S výsledky je možno se seznámit v rámci projektu vysokoteplotních a vysokoenergetických materiálů, který financuje německé Spolkové ministerstvo školství a výzkumu. To bylo umožněno přes dohodu o spolupráci mezi Oak Ridge National Laboratory a Forschungszetrum Jülich. Obě instituce úzce spolupracují v různých vědeckých oblastech už od roku 2008.

Zdroj: wattsupwiththat.com