Nedávný objev amerických vědců by mohl znamenat zelenou revoluci v oblasti ukládání elektrické energie. Podařilo se jim totiž vyrobit výkonný kondenzátor, který ve své struktuře snoubí základní stavební materiály – vodu, cement a elektrovodivé saze.

Trend nahrazovat materiály z fosilních přírodních zdrojů jejich udržitelnými alternativami postupně prorůstá do všech vrstev naší sféry. Vědci tak mnohdy usilovně pátrají po těchto udržitelných náhradách, které následně implementují do praxe. Úspěch pak poměrně nedávno oslavili vědci z MIT, kteří ve spolupráci s kolegy z harvardského Wyssova institutu objevili recept na výrobu velkého kondenzátoru – tzv. superkapacitoru – k jehož sestrojení potřebovali pouze tři poměrně základní suroviny.

Kondenzátory neboli kapacitory jsou do jisté míry alternativou ke klasickým bateriím. Zdroj: Pixabay

Ze středoškolských učebnic víme, že kondenzátory jsou v podstatě součástky umožňující uchovávat elektrickou energii vyrobenou z různých zdrojů. Zpravidla jsou tvořeny dvěma elektrodami oddělenými dielektrikem, tedy látkou izolující elektrický proud. Na jednotlivých elektrodách pak dochází k ukládání energie. Jde tak o jakousi alternativu k běžným bateriím (akumulátorům), které však mnohdy trpí na dlouhou dobu nabíjení či nutnost využívat některé ne příliš ekologické materiály.

Klíčovou složkou superkapacitoru jsou elektrovodivé saze

Větší kondenzátory se pak označují jako kapacitory. V případě nedávno zveřejněného výzkumu se však vědcům podařilo vyrobit superkapacitor, tedy zařízení s ještě větší účinností. Ten vytvořili z cementu, vody a speciální uhlíkové formy zvané carbon black, což jsou v podstatě elektrovodivé saze vzniklé nedokonalým spalováním uhlí. Charakteristickým znakem těchto sazí je poměrně komplexní struktura, která materiálu propůjčuje jedinečné vlastnosti, například velmi vysokou elektrickou vodivost. Kromě toho, že tak byl nově vytvořený superkapacitor velmi účinný, na jeho výrobu byly využity prakticky ekologicky nezávadné substance, což činí objev o to významnějším.

Nový materiál by mohl vyřešit problém s ukládáním většího množství energie. Zdroj: Unsplash

Výsledným smícháním cementu s elektrovodivými sazemi ve vodě vznikne podle vědců poměrně složitá struktura, která po vložení do roztoku elektrolytu funguje jako elektroda. Propojí-li se pak dvě desky z tohoto kompozitního materiálu, vznikne poměrně jednoduchý kondenzátor. Na rozdíl od klasických baterií, které k přesunu elektrické energie využívají chemické reakce, funguje toto zařízení na bázi generování nábojového rozdílu mezi oběma elektrodami. Tento náboj lze udržovat po dlouhou dobu a v případě potřeby jej opět rychle vybít.

Výhodou nového materiálu je také snadná možnost škálování rozměrů součástky. V praxi tak závisí víceméně pouze na povrchové ploše sazí, které v cementovém bloku vytváří složitou sít vodivých vláken. Pokud se tato sít zhustí, může být výkon zařízení dále navýšen bez vlivu na jeho celkovou velikost. Kapacitu však nelze navyšovat neomezeně, jelikož v případech, kdy elektrovodivé saze tvořily 10 a více procent struktury elektrody, již byla narušena její strukturální integrita.

Díky svému vysokému potenciálu může materiál najít řadu využití

Vědci se schopnosti superkapacitoru rozhodli demonstrovat na součástce o velikosti knoflíku, která disponovala napětím 1 V, přičemž díky použitým materiálům vydržela fungovat po dobu až 10 000 nabíjecích cyklů. Propojením třech těchto kondenzátorů pak bylo možné výsledným elektrickým obvodem pohánět 3V LED diodu.

Vědci demonstrovali sílu nově vytvořených kondenzátorů na pohonu malé LED diody. Zdroj: Se souhlasem MIT

S ohledem na použité materiály se nabízí úvahy nad potenciálním využitím těchto superkapacitorů v praxi. Podle vědců z MIT by modifikovaný cement mohl sloužit jako povrchová vrstva na běžných silnicích, a ty by tak mohly sloužit jako bezdrátové nabíjení elektromobilů, které po nich jezdí. Podobným způsobem by pak šlo materiál zakomponovat například do struktury budov, které by se tak samy staly úložištěm elektrické energie. Experimenty věnující se této problematice již vědci v minulosti prováděli, nově vytvořený kompozit by však mohl celou myšlenku posunout blíže k reálnému využití.

Zdroje: 1, 2, 3, 4