Výrobci a vynálezci baterií slibovali již leccos. V posledních době se ovšem čím dál častěji v souvislosti s ukládáním energie objevuje slůvko „grafen“. Například v prosinci loňského roku francouzská pobočka Huawei navnadila fanoušky, když podle všeho omylem napsala, že nová řada telefonů bude mít „grafenovou baterii“. Tweet byl ovšem brzy smazán a firma oznámila, že nic takového zatím nechystá.
Ale byl to pouze jeden příklad z mnoha. V poslední době se spekulovalo například o možném nasazení materiálu v bateriích Muskovy firmy Tesla, grafenové baterie s dnes nedosažitelnými vlastnostmi zvažuje i automobilka Mercedes. Velké naděje do nich vkládá rovněž jihokorejský Samsung. V roce 2017 v tiskovém prohlášení ohlašoval baterie s grafenovými kuličkami, který umožňuje zvýšit o 45 procent kapacitu a pětinásobně zrychlit nabíjení proti běžným lithium-iontovým článkům. Čísla vychází z malého laboratorního vzorku, který představili autoři práce o grafenových kuličkách vydané časopisem Nature Communications právě v roce 2017.
Jak sami víte, baterie se zásadně převratnými vlastnostmi se v posledních třech letech na trhu neobjevila. Tak v čem spočívá ten zázrak a kde je zakopán pes?
Proč je ideální do baterií?
Grafen je v ideální podobě materiál tvořený jedinou vrstvou atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníků. Byť se již před více než 50 lety objevila vzácná pozorování tenkých uhlíkových destiček pod elektronovým mikroskopem, zhruba do začátku druhého tisíciletí převládal názor, že takový materiál nemůže existovat.
Předpokládalo se, že uhlík by se jednoduše řečeno „sroloval“ do trubičky. S vývojem techniky se však tento názor postupně měnil. Tým kolem Andreje Konstantinoviče Geima a Konstantina Sergejeviče Novoselova z univerzity v Manchesteru grafen poprvé izoloval až v roce 2004.
Andrej Geim (vlevo) a Konstantin Novoselov, dva muži, kteří stáli u izolace prvního ověřeného vzorku grafenu v roce 2004.
Byť první vzorky z Geimovy a Novoselovy laboratoře nebyly všechny silné pouze jeden atom, měření brzy ukázala, že má grafen skutečně výjimečné vlastnosti. Je velmi pevný, lehký, skvěle vede teplo i elektřinu. Nabízela se celá řada možných využití, včetně skladování energie. „V bateriích potřebujeme materiály, který dobře vedou elektřinu a také dokážou odvádět přebytečné teplo, obojí grafen splňuje,“ říká Ladislav Kavan z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského.
Grafen by se tedy velmi dobře hodil k výrobě elektrod v bateriích. Například pro výrobu anod se dnes běžně používá grafit, které slouží obrazně řečeno jako „klec“ na lithiové ionty. Zlom v oblasti nastal díky loňskému spolunositeli Nobelovy ceny za fyziku Akiru Jošinovi. Ten od 80. let experimentoval s různými materiály, k průlomu ovšem dospěl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %).
Na uložení jednoho lithiového iontu je ovšem v anodě zapotřebí grafitové „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku, což omezuje maximální kapacitu elektrody (u jiných materiálů může být poměr lepší, proto se uvažuje například o přechodu ke křemíkovým anodám). V případě použití ideálního grafenu, tedy vrstvy silné jeden atom, by mohly být výsledky výrazně lepší: ionty lithia se připojí ke grafenu z obou stran, a tak by na jeden iont lithia měly stačit tři atomy uhlíku.
V některých experimentech se už podobných hodnot podařilo dosáhnout (tj. místo kapacity zhruba 370 mAhg–1 vznikly elektrody s kapacitami přes 700 mAhg–1, viz například tento přehled). Za určitých okolností, třeba použití grafenu „obohaceného“ o nějaký další prvek, pak v laboratoři byly výkony ještě vyšší, i kolem trojnásobku energetické hustoty dnešních uhlíkových anod (tedy zhruba kolem 1 000 mAhg–1).
Snímek z elektronového mikroskopu zachycuje kompozitní materiál z grafenu a křemíku, který se společnost Global Graphene Group pokouší využít jako anodu do lithiových baterií.
V čem je háček
Grafen může přispět i k vylepšení parametrů druhé elektrody, tedy katody. V podstatě funguje jako lešení, na kterém jsou zavěšeny materiály odvádějící samotnou práci (například LiFePO4 používaný v li-on bateriích). Grafenové lešení pomáhá s odvodem tepla i elektřiny. A také udržuje aktivní prvky v pravidelných rozestupech, aby se plně využilo jeho schopností vázat či uvolňovat lithné ionty. Podle některých laboratorních měření na malých vzorcích lze tímto způsobem sestrojit katody, které pojmou dvakrát více energie než ty dnes běžně používané.
Bohužel, toto všechno nám výrobci v dohledné době zřejmě nenabídnou. Zatím se totiž nedaří jedna důležitá věc: zlevňovat grafen. „Dnes je to stále velmi exotický materiál, který je draží než zlato, a skutečně kvalitní, jeden atom silné vrstvy jsou k dostání pouze v malých kouscích, které mají rozměry mikronů,“ říká Ladislav Kavan a dodává: „Už dnes si můžeteod různých výrobců objednat pytle něčeho, co se bude nazývat grafen, nebo grafenu podobný materiál, ovšem uvnitř nejspíš budou šupinky uhlíku, které ke grafenu mají hodně daleko.“
Pokud Samsung nebo někdo jiný v laboratoři nechystá velké překvapení, grafen zatím nikdo nedokáže levně vyrábět ve větším měřítku a dostatečné kvalitě. Jeho objevitelé z univerzity v Manchesteru materiál připravili tak, že odloupli pomocí lepicí pásky z uhlíkového krystalu nepatrnou šupinku. Pásku pak rozpustili v ředidle, které uhlík nepoškodilo. V průmyslovém měřítku se tento proces využít nedá.
Samozřejmě se zkouší i jiné postupy. V malém měřítku je například poměrně jednoduché využít procesu plynné depozice na vrstvu katalyzátoru (např. mědi) ve vakuu zahřátou na 1 000 °C. Destička se poté ofukuje směsí metanu a vodíku. Metan se na povrchu mědi rozloží na vodík a uhlík. Druhý prvek vytvoří grafen.
Škálování produkce do větších rozměrů je ovšem výrazně významnější problém. V roce 2010 jihokorejští vědci spolupracující se Samsungem popsali de facto tisk rekordně velkého grafenového plátku s rozměrem řádově v desítkách centimetrů. Očekávali, že se grafen tímto způsobem začne vyrábět během příštích pěti let. Roky uplynuly, ale na trhu stále není.
Aktuálně se pracuje na dvou hlavních přístupech k výrobě grafenu. Prvním je metoda „bottom-up“, tedy postupné budování uhlíkové vrstvy. Druhou větví jsou procesy probíhající „shora“, při kterých se vrstvy grafenu různými způsoby (chemicky, mechanicky) oddělují od grafitu nebo oxidu grafitu. Problém však zatím nikdo nevyřešil uspokojivě a od toho se odvíjí vysoká cena materiálu.
Znázornění struktury grafenu, supertenké formy uhlíku
Méně kvalitní „grafen“, tedy obvykle materiál, jehož šupinky jsou výrazně silnější než v řádu jednotek atomů, na trhu k dispozici je. A právě ten se pomalu začíná objevovat v bateriích. Jeho vlastnosti nejsou zdaleka takové jako u tenkého grafenu, ale to neznamená, že by pro baterie byl nevhodný. Pořád dobře vede elektřinu i odvádí přebytečné teplo z baterie, a tak může přispět například ke zvýšení životnosti i umožnit zrychlení nabíjení.
Zatím jde ovšem podle znalců oboru spíše o malou, drobnou evoluci. „Dnes je grafen jen malá příměs, která trochu vylepšuje vlastnosti stávajících lithiových baterií,“ říká Ladislav Kavan. Velký grafenový skok vpřed bude muset podle jeho názoru počkat minimálně do chvíle, kdy bude k dispozici na trhu dostatek kvalitního materiálu, včetně metod na ověřování jeho vlastností.
Nakopnutý kondenzátor
Pokud ovšem levný grafen někdy přijde, možných využití je řada. Nabízí se například vytváření ohebných elektrod. Vzniknout by mohla zcela nová třída zařízení na ukládání energie vhodná například k integraci do oblečení či jiných textilií. Dodejme, že zatím to platí pouze teoreticky, laboratorní „ohebné“ elektrody z grafenu dosud příliš ohebné nejsou.
Vlastnosti grafenu vybízí k jeho využití při výrobě nové generace kondenzátorů. Často se o nich mluví jako o „superkondenzátorech“, což v podstatě neznamená nic jiného, že jde o kondenzátory s výrazně zvýšenou kapacitou. Kapacita kondenzátoru závisí mimo jiné na vzdálenosti obou desek a u superkondenzátorů se daří zmenšovat na vzdálenosti jednotlivých atomů. Je to dáno především tím, že v něm nenajdete dielektrickou vrstvu mezi oběma nabitými deskami. Náboj od sebe drží jen jednotlivé molekuly rozpouštědla v roztoku elektrolytu, který je součástí kondenzátoru. Můžete si to představit tak, že ionty s nábojem jsou obaleny molekulami roztoky, které je nepustí k druhé elektrodě, dokud nedostanou signál.
I ty nejlepší experimentální superkondenzátory pojmou na stejný objem několikanásobně méně energie než dnešní baterie, ale zato se umí výrazně rychleji nabíjet a vybíjet. Mohou tedy sloužit jako vhodný doplněk například k bateriím u elektromobilu, ať již při rekuperaci energie, nebo v případech, kdy je zapotřebí rychle dodat nebo uložit menší množství elektrické energie.
Grafen rozhodně není jediný materiál, který v nich lze využít. Má ovšem velmi vhodné mechanické vlastnosti (je pevný a ohebný). A také má vzhledem k hmotnosti ohromný povrch (neuvěřitelných 2 600 m2 na gram hmotnosti), což přispívá ke zvýšení celkové kapacity.
Uhlík ve své nejtenčí formě tedy nabízí mnohé. Ale možná to vůbec nejdůležitější už udělalo: inspirovalo celé nové odvětví. Ukázalo se, že původně svými vlastnostmi v podstatě osamocený grafen je jen jedním z celé třídy podobně zajímavých látek, které v mnoha případech mají vhodnější vlastnosti pro to či ono využití.
Čistý grafen v praxi mohou nahradit mnohem spíše jiné 2D materiály jako třeba sulfid molybdeničitý (MoS2). Výzkumu v této oblasti se dnes věnuje celý svět, a tak je možné, že pokud se supertenký uhlík nedostane v dohledné době na trh, ať už v bateriích, či v něčem jiném, možná na něj v budoucnu nezbude místo. V některých případecho ho může nahradit třeba „fluorografen“ a jeho různé odvozeniny, jejichž možná průmyslová výroba se zkoumá na Palackého univerzitě v Olomouci.
