Kondenzátory bez toxické zátěže: Malý krok v chemii, velký posun v technologii

Výroba superkondenzátorů dlouhodobě stojí na chemických látkách, které se dnes dostávají do přímého střetu s evropskou legislativou. Nová studie pod taktovkou českých vědců ukazuje, že cesta ke špičkovým elektrochemickým parametrům nemusí vést přes chemické látky vzbuzující mimořádné obavy, ale může se opírat o technologicky rovnocenné a environmentálně přijatelnější alternativy.

Superkapacitory, odborně označované jako elektrochemické kondenzátory, představují specifickou skupinu zařízení pro ukládání elektrické energie. Zásadní rozdíl oproti klasickým bateriím spočívá ve způsobu ukládání energie. Zatímco u baterií je základem chemická reakce uvnitř materiálu, superkapacitory pracují s elektrickou dvojvrstvou, která se vytváří přímo na povrchu elektrody. Při přiložení napětí se ionty z elektrolytu uspořádají v těsné blízkosti elektrody a vytvoří extrémně tenkou, avšak energeticky velmi účinnou vrstvu. Díky tomuto mechanismu jsou kondenzátory schopny extrémně rychlého nabíjení i vybíjení a zároveň si zachovávají stabilní výkon i po desítkách či stovkách tisíc cyklů. Právě tato kombinace rychlosti, spolehlivosti a dlouhé životnosti je předurčuje k využití v dopravě, průmyslových systémech nebo při vyrovnávání krátkodobých výkyvů v elektrických sítích.

Zatímco provozní fáze superkapacitorů je z hlediska životního prostředí relativně nenáročná, jejich výroba je dlouhodobě spojena s používáním chemických látek, které dnes již neodpovídají současným regulatorním ani společenským očekáváním. Typickým příkladem je N-methyl-2-pyrrolidon, běžně označovaný zkratkou NMP, který se využívá jako rozpouštědlo při přípravě elektrodových suspenzí. NMP patří mezi tzv. SVHC látky (Substances of Very High Concern, tedy látky vzbuzující mimořádné obavy podle evropské chemické legislativy REACH), a to zejména kvůli prokázaným negativním účinkům na reprodukci a potenciálním environmentálním rizikům. Jeho používání je v Evropské unii postupně omezováno a průmysl, tak musí hledat náhrady, které vyhoví požadavkům na bezpečnost i udržitelnost a současně technologicky plnohodnotné parametry.

Tomuto, ne vždy lehkému úkolu, tedy nahrazení zelenými rozpouštědly, se věnoval vědecký tým z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) při UP ve spolupráci s VŠB – Technickou univerzitou Ostrava. Autoři se zaměřili na dvě konkrétní alternativy, Cyrene (dihydrolevoglucosenon, rozpouštědlo vyráběné z obnovitelných zdrojů) a Tamisolve (N-butyl-2-pyrrolidon, strukturálně příbuzný NMP, avšak s nižší toxicitou). Cílem nebylo pouze ověřit jejich chemickou kompatibilitu s běžně používanými pojivy, ale především posoudit, zda jsou schopny obstát v podmínkách, které odpovídají reálné průmyslové výrobě.

Klíčovým aspektem studie je důraz na vysoké plošné hmotnosti elektrod, tedy množství aktivního materiálu naneseného na jednotku plochy proudového kolektoru. Hodnoty přesahující šest miligramů na centimetr čtvereční jsou z hlediska laboratorního výzkumu náročné, avšak pro průmyslové aplikace nezbytné, protože přímo ovlivňují dosažitelnou energetickou hustotu celého zařízení. S rostoucí tloušťkou elektrody však dramaticky roste význam mechanických vlastností, jako je soudržnost materiálu, přilnavost k podkladu a odolnost vůči praskání při zpracování.

Jako aktivní materiál sloužil grafen, jehož struktura byla cíleně upravena přítomností atomů dusíku. Tento typ materiálu si zachovává vysokou specifickou plochu typickou pro grafen, přičemž přidaný dusík zlepšuje jeho elektrochemickou aktivitu a podporuje rovnoměrný kontakt s elektrolytem. Díky tomu se elektroda chová stabilně i při dlouhodobém opakovaném nabíjení a vybíjení. Pro spojení aktivního materiálu s podkladem byla použita dvě pojiva, osvědčený polyvinylidenfluorid a alternativní polyvinylpyrrolidon, který neobsahuje fluor a je z hlediska životního prostředí šetrnější.

Z elektrochemického hlediska se jako nejvyváženější ukázala kombinace PVDF s rozpouštědlem Cyrene. Tento systém dosáhl vysoké gravimetrické kapacity, tedy schopnosti ukládat elektrický náboj vztažené k hmotnosti aktivního materiálu, a zároveň velmi nízkého ekvivalentního sériového odporu (souhrnného odporu všech vnitřních komponent zařízení, který zásadně ovlivňuje výkon). Praktickým výsledkem je energetická hustota přesahující 66 watt-hodin na kilogram při zachování vysoké výkonové hustoty a mimořádné cyklické stability. Po sto tisících nabíjecích a vybíjecích cyklech si elektrody zachovaly více než devadesát procent původní kapacity, což představuje hodnotu plně srovnatelnou s nejlepšími konvenčními systémy založenými na NMP.

Neméně důležité jsou výsledky mechanických testů, které v mnoha studiích zůstávají stranou, přestože právě zde se často rozhoduje o průmyslové použitelnosti materiálu. Elektrody připravené s využitím zelených rozpouštědel vykazovaly lepší vnitřní soudržnost a výrazně lepší přilnavost k proudovému kolektoru než referenční systém s NMP. To se projevilo vyšší odolností vůči ohybu, menším sklonem k praskání a lepším chováním při jednoduchých adhezních zkouškách. Z technologického hlediska to znamená vyšší kompatibilitu s procesy, jako je kalandrování nebo navíjení elektrod, které jsou běžné při výrobě komerčních článků.

Použití nefluorovaného pojiva PVP v kombinaci s rozpouštědlem Cyrene vedlo k mírně nižším elektrochemickým parametrům i kratší dlouhodobé stabilitě, přesto však zůstává v rozsahu, který je pro řadu praktických aplikací zcela dostačující. Výsledky tak neukazují na jediné správné řešení, ale spíše naznačují, že volba materiálů je vždy hledáním rovnováhy mezi výkonem, environmentální šetrností a požadavky legislativy. Význam této práce přesahuje samotnou oblast superkapacitorů. Ukazuje, že tlak na omezování SVHC látek nemusí nutně vést ke ztrátě technických parametrů, ale může naopak otevřít prostor pro inovace, které propojují materiálový výzkum s principy zelené chemie.