Ultrakapacitory akumulátory budoucnosti

Datum 20.05.2017

Chtěli byste akumulátor, který se na plnou kapacitu nabije během vteřiny, stejně rychle dá vysoký výkon, má prakticky neomezenou životnost a téměř stoprocentní účinnost, je lehký a vyrábí se z levných snadno dostupných a nezávadných materiálů? To není sci-fi – to je ultrakapacitor. Sice na něm ještě zbývá vychytat i nějaké ty mouchy, přesto mnozí věří, že právě tohle je princip, který vyřeší problém skladování energie.

Když Jules Verne ve svých románech popisoval zázračnou ponorku kapitána Nema nebo letadla Robura Dobyvatele, předpokládal, že vynález skutečně účinného akumulátoru je na spadnutí. Ve skutečnosti ani za téměř půldruhého století vědci s jeho vylepšováním moc nepohnuli. Dokonce i lithiové akumulátory trpí mnoha nectnostmi všech předchozích typů: poměrně dlouho se nabíjejí, mají malou životnost, jsou drahé a citlivé na správné nabíjení i vybíjení…

Přitom problém akumulátoru není jen záležitost výdrže mobilní elektroniky a elektromobilů nebo letadel a ponorek ve stylu Julese Verna – ve skutečnosti jde o jeden z nejzávažnějších problémů technické civilizace vůbec. Navzdory všeobecně rozšířené představě totiž neexistuje žádná energetická krize; energie je všude kolem mnohem víc než dokážeme spotřebovat – jen není ve správný čas na správném místě. Její efektivní skladování by nás navždy zbavilo hrozby energetického nedostatku. A jaksi mimochodem vyřešilo i řadu ekologických potíží.

Nevýhody všech dosavadních typů akumulátorů vyplývají z toho, že pracují na chemickém principu: aby se v nich elektřina “uskladnila“, probíhá v nich řada složitých dějů ovlivňovaných i ovlivňujících složení elektrolytu a elektrod. Přitom možnosti využití elektrochemického potenciálu kombinací různých látek v elektrodách jsou z principu omezené: tzv. Beketova řada kovů mluví jasně. Navíc zásoby lithia – v současnosti nejvyužívanějšího prvku – jsou na planetě rozdělené nerovnoměrně a jeho těžba, zpracování i doprava akumulátory prodražují. Ještě ke všemu letecké společnosti odmítají lithiové články dopravovat, mívají sklon vzplanout nebo explodovat.

Snaha lithiové články vylepšovat je samozřejmě velká, skutečným řešením by ale bylo vyhnout se chemickému principu ukládání energie. Co takhle prostě jen elektřinu někam nalít a v případě potřeby ji zase vylít, jako se to dělá s vodou? Myšlenka na první pohled až dětinská, ve skutečnosti ale právě tak pracoval vůbec první akumulátor v historii. Nyní se vědci k tomuto principu zase vracejí.

Začalo to sírovou koulí

Už roku 1663 popsal německý učenec a politik Otto von Guericke (1602 – 1686) kouli vyrobenou ze síry, v níž shromažďoval elektrický náboj, který získával třením jejího povrchu. V 18. století se takové pokusy se statickou elektřinou staly módou a tehdy německý duchovní Ewald Georg von Kleist ponořil železný hřebík nabitý třením do baňky s vodou. Ukázalo se, že nádoba umí elektřinu nějaký čas uchovat, proto experimentoval i s jinými kapalinami. Po něm to zkoušeli další; ve známost vešly především pokusy holandského vědce Piettera van Musschenbroeka z města Leiden – a tak vznikla leydenská láhev, první kondenzátor a současně první akumulátor pracující na principu dnešních ultrakapacitorů. Jenže roku 1800 sestrojil Alessandro Volta první chemický článek, který dával mnohem lepší výsledky, a tak se vývoj začal ubírat jinou cestou.

„Věříme, že jsme schopni vyvinout akumulátor s kapacitou až o 50 procent vyšší než mají dnešní chemické akumulátory srovnatelné velikosti,“ tvrdí John Kassakian z MIT. „Díky tomu ultrakapacitory nahradí dnešní baterie ve většině zařízení.“

Jak takový ultrakapacitor pracuje, si může snadno vyzkoušet každý. Když ke kondenzátoru s dostatečnou kapacitou nakrátko přiložíte vývody baterie, můžete s takto uskladněnou energií vzápětí na nějaký čas rozsvítit LED. Čím větší kapacita kondenzátoru, tím déle bude svítit. První výhodu uvidíte už při tomto primitivním pokusu: žádné zdlouhavé nabíjení. Ale jsou i další: vysoká účinnost, krátká doba nabíjení, schopnost okamžitě podat plný výkon, odolnost proti přebíjení i extrémnímu vybíjení, životnost počítající se na desítky let, odolnost vůči otřesům a dalším vnějším vlivům, počet nabíjecích cyklů v řádu milionů atd.

Háček je jen jeden, zato pořádný – běžné kondenzátory mají pro “skladovací“ účely příliš malou kapacitu. Vývojové laboratoře proto přišly s ultrakapacitory (označují se též jako superkapacitory, superkondenzátory a podobně). Stejně jako běžný kondenzátor se i tenhle prvek skládá z vodivých polepů (elektrod) a nevodivé vrstvy (dielektrika), která je odděluje a zabraňuje tak vybití náboje na elektrodách. Ultrakapacitor ale má vodivé vrstvy (tzv. aktivní elektrody) z pórovitého uhlíku s obrovským vnitřním povrchem, tyto dutiny jsou zaplněny elektrolytem. Mezi oběma elektrodami je navíc velmi tenká vrstva separátoru. Po přivedení napětí se v elektrolytu oddělí elektrony od kladných iontů, přičemž tyto náboje putují ke “své“ elektrodě s opačným znaménkem. Na stěnách dutin uhlíkových elektrod tak vzniknou dvě velmi rozlehlé nevodivé vrstvy s příznivými vlastnostmi. Díky tomu má vnitřní povrch plochu stovky až tisíce čtverečních metrů v jednom gramu. Oproti stovkám mikrofaradů u běžných kondenzátorů zde kapacita dosahuje až tisíců faradů, přičemž hustota energie je desetkrát až stokrát vyšší než u olověných akumulátorů.

Ale i dnešní ultrakapacitory pořád ještě mají také nevýhody. Problém není ani tak to, že mají nižší průrazné napětí než klasické kondenzátory, protože je možné je řadit do sérií, kdy se průrazné napětí sčítá. Horší ale je, že mají i deset- až pětadvacetkrát nižší energetickou kapacitu na jednotku hmotnosti než elektrochemické akumulátory. Proto se experimentuje také s různými složeními elektrod (kysličníky kovů, vodivé polymery, uhlíkový aerogel atd.) a různými elektrolyty.

Tušení revoluce

I navzdory některým nevýhodám už nacházejí ultrakapacitory celou řadu využití. Malé jednotky se používají zejmé­na pro zálohování zdrojů v počítačích a dalších elektronických zařízeních, stále častěji jsou ale k vidění i jako hlavní zdroj přenosné elektroniky – mnohdy v kombinaci s fotovoltaickým článkem. Velké baterie ultrakapacitorů slouží v elektromobilech jako druhý zdroj pro pokrytí špičkového výkonu při startu, prudké akceleraci, při jízdě v těžkém terénu nebo stoupání, kdy běžný zdroj energie (baterie, palivový článek atd.) nestačí. Zlepšují také energetickou bilanci elektromobilu či hybridního vozu tím, že ukládají elektřinu generovanou při brždění (tzv. rekuperace). Zatímco na­bíjení běžných baterií takto vytvořenou energií by bylo neefektivní, ultrakondenzátory jsou pro tento účel jako stvořené. Díky kompaktní konstrukci jimi navíc lze vyplňovat i ta místa konstrukce automobilů, která dosud byla nevyužita.

To však pořád ještě nestačí – ke skutečné revoluci v energetice by bylo nut­né kapacitu dál výrazně zvýšit. Pak by se teprve začaly dít věci: baterie ultrakapacitorů u alternativních zdrojů (fotovoltaických článků a větrných generá­torů) by odstranila jejich hlavní nevýhodu spočívající v neschopnosti dodávat elektřinu když je potřeba. Vznikly by elektromobily s extrémně rychlým nabíjením, ale také elektrická letadla a bezpilotní prostředky. Schopnost snadné a efektivní rekuperace energie by snížila spotřebu v mnoha elektrických a elektronických zařízeních. A tak bychom mohli pokračovat ještě velmi dlouho – horší už je vymyslet, jak toho docílit.

Vědci se ale nevzdávají. Naději vidí zejména v nanotechnologiích, konkrétně ve využití uhlíkových nanotrubic a grafenů. Problémem se dlouhodobě zabývají odborníci z Massachusetts Institute of Technology (MIT), kteří reprezentují současnou špičku v tomto obo­ru. Sestavili z uhlíkových nanotrubic strukturu podobnou kartáči na vlasy, s cílem získat stejnou hustotu energie jako u dnešních lithiových akumulátorů. Podařilo se jim docílit desetkrát vyšší kapacity než u dnešních komerčně vyráběných ultrakapacitorů a předpokládají, že to půjde ještě dál. Současně se jim podařilo tak zvýšit odolnost vůči extrémním teplotám: jejich články pracují v rozmezí teplot od -110 do 300 °C, takže mohou pracovat na vrtných plošinách, v polárních krajích, ve zbraňových systémech, stejně jako ve vesmíru. Jiným výstupem vývoje na MIT je ultrakapacitor velikosti a tvaru běžné tužkové baterie (AA), takže ho lze používat v obvyklých elektronických přístrojích.

Problémem zatím jsou vysoké výrobní náklady, a tedy i cena ultrakapacitorů využívajících uhlíkové nano­struktury. Odborníci ale věří, že další technický vývoj a nakonec zavedení sériové výroby cenu výrazně sníží.

Jan A. Novák

Eaton 700 x 200 px

Napsat komentář