Biobaterie z papíru a soli

Výzkumníci Angströmovy laboratoře univerzity ve švédské Uppsale oznámili vývoj nové baterie ve formě pružné fólie z netoxických přírodních materiálů, soli ve filtračním papíru a papíru z řas Cladophora, jehož vlákna mají povlak nanovrstvou vodivého polymeru - polypyrrolu. Objev představuje levné, technologicky schůdné a ekologické baterie pro mobilní přístroje.

V prvních zprávách našich médií je autorství pozoruhodného projektu připisováno American Chemical Society (ACS). Ve skutečností jde o švédské výzkumníky: prof. Maria StrNmme, A. Mihranyan, G. Nyström a A. Razaq jsou z odd. nanotechnologie a funkčních materiálů a prof. L. Nyholm, vedoucí tohoto vývoje, je z odd. materiálové chemie Ăngströmovy laboratoře univerzity v Uppsale, kde výzkum proběhl. Vývoj publikovali 18. října 2009 již dříve anoncovaným článkem "Ultrafast All-Polymer Paper-Based Batteries" v časopise Nano Letters, jehož vydavatelem je ACS.

ZA VODIVÉ POLYMERY NOBELOVA CENA 2000

Vodivé polymery jako jsou polythiofen (PT), polyparafenylenvinylen (PPV), polyacetylen (PAC), polypyrrol (PPY), polyanilin (PANI) a další se objevovaly před 20 až 30 lety a intenzivně od roku 2000. Objevy a vývoj jodem dopovaného PAC a jiných vodivých polymerů A. J. Heegera, A. McDiarmida a H. Shirakawy z roku 1997 byly oceněny Nobelovou cenou v roce 2000. Stojí za zmínku, že první článek "Polyanilin - polymer ušlechtilý jako stříbro" o aplikaci PANI v pasivaci kovů proti korozi v nátěrových hmotách Corrpasiv a Ormecon firmy Zipperling Kessler, od roku 2008 součásti Enthone Inc., vyšel v Techniku již v dubnu 1997. O významu PANI svědčí, že již v roce 1999 koupil licenci na Ormecon mj. i koncern DuPont.

PAPÍR Z ŘAS A POLYPYRROL

Pro aplikace v bateriích se vodivé polymery zkoumají už asi 20 let, avšak funkční vlastnosti, jako vodivost, kapacita, rychlost nabíjení a cyklické vlastnosti včetně paměťového efektu, se ukazovaly nedostatečné pro praktické použití. V citované práci je představen jako papír nanostrukturovaný elektrodový materiál z celulózových vláken z řas Cladophora s velkou měrnou plochou 80 m2g-1, (tj. asi stonásobně větší než nanovlákna z běžné lignocelulózy). Vlákna jsou povlakována 50nm vrstvou dopovaného vodivého polymeru polypyrrol (PPY).

Nedopované konjugované polymery PT a PAC (symbol PAC není standardní dle ISO 1043-1, používáme jej k rozlišení od polyamidu PA na rozdíl od PA, užitého švédskými výzkumníky pro polyacetylen) mají nízkou elektrickou vodivost řádu 10-8 - 10-6 S.cm-1 a jsou tedy polovodiči nebo izolátory. Dopováním se získávají vodivosti řádů 10-1 až 102 možná 103 S.cm-1. Potvrzených nejvyšších hodnot ca. 8.104 S.cm-1 bylo údajně dosaženo u tažením orientovaného PAC. Polypyrrol od výrobce Sigma Aldrich může mít vodivost mezi 30 až 40 S.cm-1.

Polymer PPY byl slibný ale býval také často považován za materiál neschopný komerčního využití, proto je vývoj poměrně překvapivý. Kouzlo vývoje je v nalezení způsobu jak povlakovat každé jednotlivé 50nm nanovlákno o tloušťce 1/50 000 lidského vlasu. Teprve s obrovským měrným povrchem papír udrží požadované množství energie. Vlastní překvapivě nápaditý a elegantní design již snadno vedl k vytvoření baterie, kde rozdíl potenciálu je vytvářen výhradně rozdíly oxidovaného a redukovaného funkčního povrchu PPY.

"PAPÍROVÉ" BATERIE S PPY PRO MOBILNÍ APLIKACE

Baterie z papírového kompozitu celulóza/PPY mohou být nabíjena proudovou hustotou až 600 mA.cm-2, mají pouze 6% ztrátu kapacity po 100 nabíjecích a vybíjecích cyklech. S elektrolytem solného roztoku NaCl ve vodě, napojeném ve filtračním papíře (bezpopelný papír), se u kompozitu celulóza/PPY s měrnými kapacitami mezi 25 - 33 mAh.g-1 nebo 38 - 50 mAh.g-1 aktivního materiálu kompozitu, otevírají nové možnosti ekologických, cenově výhodných, lehkých a rozšiřovatelných systémů ukládání energie zvláště pro mobilní aplikace, např. pro lékařskou diagnostiku, implantáty a senzory, a také pro RFID v obalech a textiliích.

"PAPÍROVÉ" BATERIE S NANOČÁSTICEMI ITO

Výzkumníci C.Q. Peng, Y.S. Thio a R.A. Gerhardt z technické univerzity Georgia Tech publikovali v listopadu 2008, v časopisu Nanotechnology vývoj baterie s vícevrstvými papíry LBL (Layer-By-Layer), z celulózových vláken impregnovaných nanočásticemi ITO (Indium Tin Oxide s 90 % In2O3 dopovaný 10 % SnO2) a poly- 4-styrensulfonátem sodným (PSS). Ještě předtím jsou vlákna povlakována polyethylenimidem (PEI) a zpracována na LBL papír tradičními papírenskými technikami do dvojvrstev. Baterie s 10 dvojvrstvami dosahují vodivosti ss proudu v podélném směru jen 5,2.10-6 S.cm-1, menší až stokrát v příčném směru.

"PAPÍROVÉ" BATERIE TAKÉ S LITHIOVÝMI IONTY

V březnu 2009 oznámili B. Kang a G. Ceder z Massachusetts Institute of Technology (MIT) v časopisu Nature, vývoj materiálů nové "papírové" baterie, která se nabíjí nebo vybíjí za 10 až 20 s. Baterie je založena na využití nanočástic fosforečnanu lithno-železnatého LiFePO4, potažených sklovitým povlakem tloušťky 5 nm se sníženým obsahem železa, fosforu a kyslíku. Rychlé povlakování trvá pouhých 5 min. Rychlosti nabíjecích a vybíjecích cyklů závisí na rychlé výměně Li1+ iontů a elektronů v materiálu. Je to právě vysoká mobilita Li1+ ve sklovitém povlaku, rozhodující o transportu iontů.

Zpráva nehovoří o nabíjecím proudu, rozhodujícím o aplikaci u notebooků, či jiné mobilní elektroniky nebo automobilů. Udává se, že pro nabití baterie hybridního vozu za 5 min na spotřebu 15 kWh by byl nutný výkon 180 kW!!! Nabití baterie notebooku 4 000 mAh za 1 min může požadovat nabíječku s nabíjecím proudem až 240 A. Kolik se asi vyvine tepla?

EKOLOGIE SOUVISEJÍCÍ S "PAPÍROVÝMI" BATERIEMI

Přestože se "papírové" baterie na bázi PPY považují za biologicky rozložitelné, obecně to zcela neplatí. Čeká se mj. na ukončení vývoje biologicky degradabilních elektricky vodivých polymerů BECP (Biodegradable Electrically Conductive Polymers), jako je např. PPY s koncovými esterovými a alifatickými řetězci. "Papírové" baterie s PPY obecně žádné toxické látky neobsahují, u LiFePO4 baterií s rostoucím užíváním lithiových materiálů (baterie, lehké slitiny, léky, tuky) probíhá diskuze o jejich recyklaci a sledování lithia v odpadních vodách.

Zpracování řas Cladophora se považuje za užitečné, neboť řasy, bohatě se vyskytující mj. na švédském pobřeží Baltského moře, obsahují nadměrné množství škodlivých bakterií Escherichia coli, vzniklých rozkladem trusu ptáků, hlavně racků a těl uhynulých jedinců. Ptáci hynou, když se do nich zaplétají při vyhledávání drobných živočichů.

AUTOR: Alexandr Abušinov