S tím, jak přibývá start-upů a laboratorních studií, „se zinkové baterie stávají hitem,“ řekl pro časopis Science Chunsheng Wang, odborník na baterie z Marylandské univerzity v College Parku.
Pokud vám uši již úplně neslouží, a přesto dobře slyšíte, dost možná za to vděčíte i zinku. Přesněji malým zinkovým bateriím ve tvaru mince, které jsou oblíbeným zdrojem energie pro naslouchátka a další podobná zařízení. Zinkové baterie se ovšem z těchto skromných poměrů chtějí vypracovat dál. Na velké síťové systémy, které by mohly být připojeny k elektrické síti a uchovávat solární nebo větrnou energii pro noční dobu nebo v době, kdy vítr nefouká. Zdá se, že potenciál na to mají.
Alternativy letí Lithium-iontové baterie — obří verze baterií, které se používají v elektromobilech a mobilech— jsou v současné době jedničkou v ukládání energie z obnovitelných zdrojů, ale příslušné komponenty mohou být drahé. Zinkové baterie jsou šetrnější k peněžence i k planetě — a laboratorní pokusy ukazují, jak obejít skutečnost, že je nelze opakovaně dobíjet po celá desetiletí. Potřeba bateriových úložišť v rozvodné síti roste se zvyšováním množství energie ze slunce a větru. Jak všichni víme, obnovitelné zdroje energie (OZE) už nejsou žádnou okrajovou technologií, nebo jen „bruselským výmyslem“. Letos se např. prezident Joe Biden zavázal, že do roku 2035 bude americká elektrická síť bezemisní. Aby se vyrovnaly výpadky v dodávkách, bude třeba velkou část energie z OZE skladovat po dobu několika hodin nebo dnů, než se znovu vrátí do sítě. Lithium je dnes stále relativně špatně dostupný kov, který se zatím těží jen v několika málo zemích. Zájemci o jeho využití v bateriích pro rozvodnou síť navíc budou muset v nejbližších letech o něj soutěžit s automobilkami, které své produkty prodávají s vyšší marží. Lithium-iontové baterie také obvykle používají hořlavý kapalný elektrolyt. To znamená, že megawattové baterie musí mít drahé chladicí a protipožární technologie. Není tedy divu, že se intenzivně hledají alternativy k lithiu.
Levnější, ale se špatnou „zpátečkou“ Na scénu přichází zinek, stříbřitý, netoxický, levný a hojně rozšířený kov. Nenabíjecí zinkové články jsou na trhu již desítky let. V poslední době se zde objevily i některé zinkové dobíjecí baterie, které však mají obvykle omezenou kapacitu akumulace. Významně se ovšem rozvíjejí i další technologie, např. zinkové průtokové baterie. Jejich provoz však vyžaduje složitější ventily, čerpadla a nádrže. Výzkumníci proto nyní pracují na zdokonalení dalšího typu: zinko- -vzdušných článků. V těchto bateriích odděluje elektrolyt na bázi vody s příměsí hydroxidu draselného nebo jiného alkalického materiálu zinkovou anodu a katodu z jiných vodivých materiálů, často z porézního uhlíku. Během vybíjení reaguje vzdušný kyslík s vodou na katodě za vzniku hydroxidových iontů, které migrují k anodě, kde reagují se zinkem za vzniku oxidu zinečnatého. Při reakci se uvolňují elektrony, které proudí z anody ke katodě přes vnější obvod. Dobíjení baterií znamená obrácení toku proudu, což způsobí, že se na anodě znovu vytvoří kovový zinek. Zinkové baterie však těžce snášejí dobíjení. Nepravidelnosti na povrchu anody způsobují, že elektrické pole je na určitých místech intenzivnější, a to má za následek další usazování zinku, které elektrické pole dále zesiluje. Jak se cyklus opakuje, rostou drobné hroty zvané dendrity, které nakonec baterii proděraví a zkratují. Stejně nepříjemné je, že voda v elektrolytu může na anodě reagovat a štěpit se na kyslík a plynný vodík, což může vést k roztržení článků.
V rozletu Vědci začali nedostatky řešit a ročně publikují téměř 1 000 článků z této oblasti. V roce 2017 např. Debra Rolisonová z americké Námořní výzkumné laboratoře (NRL) a její kolegové v časopise Science oznámili, že anodu přepracovali na 3D síť z kovového zinku posetou drobnými dutinami. Elektroda tak má extrémně velký povrch, což snižuje intenzitu lokálního elektrického pole. Tím se omezuje vznik dendritů a snižuje se pravděpodobnost štěpení molekul vody. NRL poskytla licenci na tuto technologii společnosti EnZinc. V květnu 2021 zase v úvodu zmíněný Chunsheng Wang a jeho kolegové v časopise Nature Nanotechnology uvedli, že když do svého elektrolytu přidali alkylamoniovou sůl obsahující fluor, reagovala se zinkem a vytvořila kolem anody pevnou bariéru z fluoridu zinečnatého. Ionty se skrz tuto vrstvu během nabíjení a vybíjení stále mohly dostat, bariéra však bránila růstu dendritů a odpuzovala molekuly vody. Ty se tedy nemohly dostat k anodě, rozkládat se a poškodit baterii. (Vylepšení má tu nevýhodu, že články se vybíjejí pomaleji. Tým zkouší přidat na katodu katalyzátory, které urychlí reakci mezi kyslíkem a vodou.) Stejnou strategii používají i korejští výzkumníci pod vedením Jung-Hoa Leea z univerzity Hanyang. V časopise Nature Energy z 12. dubna informovali o vytvoření vláknité a vodivé katody ze směsi mědi, fosforu a síry, která zároveň slouží jako katalyzátor a výrazně urychluje reakci kyslíku s vodou. Díky tomu a dalším vylepšením vznikly baterie, které lze rychle nabíjet a vybíjet a které mají vysokou kapacitu: 460 Wh/kg (cca 75 Wh/kg u standardních zinkových článků s katodami z oxidu manganičitého a 100—150 Wh/kg u velkých lithium- -iontových systémů). Baterie byly stabilní po tisíce nabíjecích a vybíjecích cyklů. Úspěchy vzbuzují naději, že zinko- -vzdušné akumulátory se jednoho dne budou moci vyrovnat lithiovým. Díky nízkým cenám materiálů by tyto baterie pro síťové použití měly podle dnešních analýz stát méně než 100 USD/kWh. Mají tedy potenciál být cenově konkurenceschopné i v situaci, kdy lithiové baterie už jsou de facto zavedenou technologií. Oblast výroby je dnes však Achillovou patou. Zinkové články se dnes nejčastěji vyrábějí v malých velikostech pro naslouchátka a jiné podobné přístroje. Dotáhnout výrobu k systémům o velikosti kontejneru při zachování jejich příznivých charakteristik a výkonů bude pravděpodobně trvat roky. Nevýhodou je také nedůvěra zákazníků. Než elektrárenské společnosti začnou nakupovat velkokapacitní baterie nějakého typu, chtějí vidět údaje z několika let provozu. Chtějí mít jistotu, že baterie nefunguje jen na papíře nebo v laboratoři. A z ní zatím zinkové, přesněji zinko-vzdušné baterie i přes obdivuhodné výsledky zatím nevykročily. /jj/
