Nová a komplexní studie metod skladování energie zjistila, že způsob, jak zachránit planetu, je prostřednictvím nanomateriálů.

Zatímco vědci v oblasti klimatu opakovaně prokázali škodu, kterou moderní průmysl a konzumerismus způsobují životnímu prostředí, změna ve spalování fosilních paliv je skličujícím úkolem. Nová zpráva však uvádí, že cesta pryč od ropy a plynu je nám již známa. Je zapotřebí technologie baterií 21. století, která umožní praktickou výrobu energie z obnovitelných zdrojů.

Ze všech akcí, které způsobují změnu klimatu, je způsob, jakým je energie využívána, nejškodlivější. Všude kolem nás je spousta energie ve formě větrné, vlnové a sluneční energie. K dispozici je také dostatečná technologie pro zachycení dostatečného množství této energie, aby bylo možné splnit všechny naše potřeby. Problém je v tom, že tyto zdroje energie jsou nespolehlivé, protože nikdo neví, kdy vítr zafouká, kdy budou proudit vlny a kdy bude svítit slunce.

Chybí nám dostatečná technologie pro ukládání elektřiny, když energie není zrovna potřeba.

Baterie průmyslové velikosti s přilehlou větrnou farmou. Stále je ale potřeba více úložiště.

Jak Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University a profesor Bach na Vysoké škole inženýrské v Drexelu a hlavní autor článku, zdůrazňuje: „Čím lépe budeme sklízet a skladovat energii, tím více budeme moci využívat obnovitelné zdroje energie, které jsou v přírodě přerušované. “

Pokud by mohly být vyvinuty technologie, které by lépe ukládaly energii z těchto zdrojů, vyhrála by se bitva proti změně klimatu. Nejjasnější cestou k vývoji vylepšených baterií je použití nanomateriálů.

„Většina z největších problémů, kterým čelí tlak na udržitelnost, může být spojena s potřebou lepšího skladování energie,“ říká Gogotsi. „Ať už se jedná o širší využití obnovitelných zdrojů energie, stabilizaci elektrické sítě, řízení energetických požadavků naší všudypřítomné inteligentní a propojené technologie nebo přechod naší přepravy na elektřinu - stojí před otázkou, jak zlepšit technologii skladování a distribuci energie. Po desetiletích výzkumu a vývoje mohou odpověď na tuto otázku nabídnout nanomateriály. “

Logjam mezi sběrem obnovitelné energie a místem spotřeby je již dlouho znám a je hnací silou společného úsilí vědecké komunity o zlepšení výkonu baterií. Pokroky, které smartphony, elektromobily a notebook zvládly v absorbování a ukládání elektřinu, jsou důkazem toho, co je možné.

Vysoký poměr povrchu k objemu a krátké difúzní dráhy mnoha nanomateriálů mohou poskytnout vysokou energii. Kompatibilita nanomateriálů s moderními výrobními technikami, jako je tisk, nanášení stříkáním a sestavování z role na válec, navíc umožňuje navrhovat a realizovat nositelná, flexibilní a skládací zařízení pro ukládání energie.

Jádrem této technologie bylo použití nanomateriálů. Jak vysvětluje Gogotsi, „Mnoho z našich největších úspěchů v ukládání energie v posledních letech je díky integraci nanomateriálů. Lithium-iontové baterie již používají uhlíkové nanotrubice jako vodivé přísady v elektrodách baterií, aby se nabíjely rychleji a vydržely déle. A rostoucí počet baterií používá ve svých anodách nanočástice křemíku pro zvýšení množství uložené energie. Zavádění nanomateriálů je postupný proces a v budoucnu uvidíme v bateriích stále více materiálů s nanočásticemi. “.

Zatímco po celá léta byl design baterií zaměřen čistě na hledání progresivně lepších energetických materiálů a jejich kombinování pro ukládání více elektronů, v poslední době se výzkum zaměřil na zkoumání, jak vylepšit tato zařízení pro lepší přenos elektřiny a podívat se, jak skladování energie funguje na atomové úrovni.

Jak tisková zpráva Drexel University vysvětluje: „Tento proces se nazývá nanostrukturování [a] zavádí částice, trubice, vločky a hromádky nanomateriálů jako nové komponenty baterií, kondenzátorů a superkondenzátorů. Jejich tvar a atomová struktura mohou urychlit tok elektronů - srdeční tep elektrické energie. A jejich dostatečná plocha povrchu poskytuje více klidných míst pro nabité částice.“

Obrázek zobrazující možnosti nanostrukturování v pokročilém designu baterií. A) Transport iontů. (B) Transport elektronů. (C) Tvorba SEI a parazitární reakce mezi elektrodou a elektrolytem. Rozmazané oblasti představují reakční produkty, například SEI. (D) Konektivita a transport v 3D prostoru.

Díky jádru nanomateriálů byli vědci schopni přehodnotit i ty základní funkce baterií. Například: „S metalicky vodivými nanostrukturovanými materiály, které zajistí, že elektrony mohou volně proudit během nabíjení a vybíjení, mohou baterie mít menší hmotnost a velikost odstraněním kolektorů proudu kovových fólií, které jsou nezbytné u konvenčních baterií. V důsledku toho jejich forma již není omezujícím faktorem pro zařízení, která napájejí. “

Nanostrukturovaná 3D elektrodová architektura může být realizována prostřednictvím škálovatelného procesu sebe-sestavování blokových kopolymerů.

V důsledku toho se baterie nabíjejí rychleji, zmenšují se, drží energii déle, mají větší kapacitu a jsou odolnější než kdykoli předtím. Řešení problémů se změnou klimatu vyžaduje přenos této technologie do většího rozsahu. Baterie, které se mohou nabíjet postupně, mohou bezpečně a efektivně ukládat energii několik dní a dokážou udržet dostatek elektřiny pro napájení města.

"Je to velmi vzrušující čas pracovat v oblasti nanomateriálů pro ukládání energie," řekla Ekaterina Pomerantseva, PhD, docentka na Vysoké škole strojírenské a jedna ze spoluautorů článku. „Nyní máme k dispozici více nanočástic než kdykoli předtím – s různým složením, tvarem a známými vlastnostmi. Tyto nanočástice jsou stejně jako Lego bloky a musí být sestaveny inteligentně, aby vytvořily inovativní strukturu s výkonem nadřazeným současnému zařízení pro ukládání energie. To, co dělá tento úkol ještě přitažlivější, je skutečnost, že na rozdíl od Lega není vždy jasné, jak lze různé nanočástice kombinovat a vytvořit stabilní architektury. A jak se tyto požadované architektury nanočástic stávají stále více pokročilejšími, stává se tento úkol stále náročnějším a vyvolává kritické myšlení a kreativitu vědců. “

To znamená, že přechod na vysoce výkonné solární baterie poháněných solární energií, která může nahradit jadernou elektrárnu, nebude snadná. Součástí této změny bude zajištění stability nanomateriálů při použití v průmyslovém měřítku.

Shrnutí výhod a výzev souvisejících s aplikací každé třídy nanomateriálů. Obrazový kredit: Yayuan Liu / Stanford University a Meng-Qiang Zhao / Drexel University.

Největší výzvou však mohou být současné výrobní metody, které kladou vysokou cenu na i malé množství nanomateriálů.

Jak uznává Gogotsi: „Náklady na nanomateriály ve srovnání s konvenčními materiály jsou hlavní překážkou a jsou zapotřebí levné a velkoobjemové výrobní techniky.“ Rovněž se však domnívá, že snižování nákladů a zvyšování produkce nanomateriálů na požadované úrovně jsou možné.

Jak poznamenává, „[Ekonomická masová výroba] již byla provedena pro uhlíkové nanotrubice se stovkami tun výroby pro potřeby bateriového průmyslu v Číně. Předběžné zpracování nanomateriálů tímto způsobem by umožnilo použití současného zařízení na výrobu baterií. “

To, čeho lze dosáhnout pomocí nanotechnologie pro odvětví spotřební elektroniky, je zřejmé. Co je zapotřebí k boji proti změně klimatu, je jasné. Nyní je zapotřebí pouze dostatečných investic k překlenutí mezery směrem k efektivnímu ukládání energie v průmyslovém měřítku.

Pokud chceme, aby svět fungoval na obnovitelné energii, musíme použít nanomateriály.


Studie nazvaná „Úložiště energie: budoucnost umožněná nanomateriály“ byla zveřejněna v časopise Science.


Fotografický kredit: Science, Climatecentral a PVBuzz