Výzkumníci navrhli nanomateriál s využitím vodivého polymeru a kvantového materiálu - topologického izolantu - Bi₂Te₃, speciálního materiálu s unikátními vlastnostmi. Vzniklý kompozit se ukazuje jako velmi perspektivní pro vývoj levných a ekologicky šetrnějších vodných baterií s vysokou kapacitou i stabilitou.
Vodné hliníkové iontové baterie jsou typem dobíjecích baterií, které používají na vodě založený elektrolyt a hliníkové ionty (Al³⁺) jako nositele náboje. V porovnání s lithium-iontovými bateriemi jsou bezpečnější, protože jako rozpouštědlo používají vodu a jsou v principu na rozdíl od hliníkových baterií nehořlavé. Vzhledem k použitým materiálům jsou také levnější. Hliníkové ionty (Al³⁺) mohou přenášet více náboje než lithium, což zvyšuje teoretickou kapacitu baterie. Technologie je však zatím ve fázi vývoje a odborníci se snaží zejména překonat problém, kdy se hliník ve vodném elektrolytu špatně vylučuje a rozpouští na elektrodě kvůli tvorbě pasivní vrstvy oxidu. Nový materiál ale tuto bariéru dokáže překonat.
„Díky propojené síti vodivých polymerů a Bi₂Te₃ umožňuje anoda z tohoto materiálu pozoruhodnou vybíjecí kapacitu 438 mAh g⁻¹ při proudové hustotě 0,5 A g⁻¹. I při vyšší proudové hustotě 10 A g⁻¹ si zachovává výrazné vybíjecí plato, čímž překonává většinu dosud popsaných elektrodových materiálů pro vodné hliníkové iontové baterie,“ uvedl korespondenční autor studie Martin Pumera z Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO, který rovněž působí v projektu REFRESH. Vhled do mechanismu provedl za použití výpočetní chemie tým z IT4 Innovation vedený Michalem Otyepkou.
Topologický izolant Bi₂Te₃ vede elektrický proud na svém povrchu velmi efektivně. To pomáhá rychlému pohybu iontů a elektronů. Polypyrrol kolem částic Bi₂Te₃ vytváří propojenou síť, která zvětšuje vodivý povrch a zlepšuje celkovou stabilitu materiálu. Díky tomu má materiál vysokou kapacitu, na rozdíl od jiných vodných hliníkových baterií funguje i při rychlém nabíjení a vybíjení a vydrží více nabíjecích i vybíjecích cyklů. Podle vědců by proto mohl v budoucnu sloužit jako výkonná elektroda v nové generaci bezpečných a levných baterií.
Výzkum je příkladem interdisciplinární mezifakultní spolupráce na VŠB-TUO. Podpořil ho projekt REFRESH a odborníci využili i služeb velké výzkumné infrastruktury ENREGAT na VŠB-TUO.
Text: Martina Šaradínová, PR manažerka projektu REFRESH