20100701_veda_nanotym
NABITÝ TÝM: Zleva - studenti Betar Gallant a Seung Woo Lee a profesoři Yang Shao-Horn a Paula Hammondová, v jedné z laboratoří, kde prováděli výzkum zaměřený na využití uhlíkových nanotrubiček v lithiových bateriích. (MIT Media Relations)

Tým výzkumníků z MIT přišel na to, že pokud se do baterií vhodně přidají uhlíkové nanotrubice, lze až desetinásobně zvýšit jejich výdrž. Vědci se domnívají, že tento objev může najít uplatnění ve sféře malých, přenosných zařízení, avšak postupem času by mohl přinést lepší baterie i pro větší zařízení, jež vyžadují větší příkon.

Obvyklé li-ion baterie, běžně se vyskytující v přenosných elektrospotřebičích, získávají energii z kladně nabitých iontů lithia. Když se baterie dobíjí, vnější proud způsobí, že se tyto ionty pohybují v opačném směru a zachytí se v prázdných místech porézního materiálu anody baterie.

Nová baterie vděčí za zvýšenou úložní kapacitu a výkon uhlíkovým nanotrubicím – představme si je jako stočenou šestiúhelníkovou síť – např. plástev včelího vosku zatočenou do trubky – do každého rohu šestiúhelníku dejte atom uhlíku a přiměřeně zmenšete tak, aby výsledek měl v průměru pár nanometrů (miliontin metru) a na délku pár mikrometrů. Tyto nanotrubičky mají na svém povrchu několik skupin kyslíku, jež dokáží ukládat velké množství iontů lithia. To umožňuje uhlíkovým nanotrubicím fungovat v lithiových bateriích poprvé v roli kladné (nikoliv pouze záporné) elektrody.

S objevem přišel tým, vedený profesorem materiálových věd a mechanického inženýrství na MIT, Yang Shao-Hornem, ve spolupráci s profesorkou chemického inženýrství Paulou Hammondovou. Objev byl představen ve studii zveřejněné 20. června v časopise Nature Nanotechnology. Hlavními autory jsou Seung Woo Lee, PhD. – student chemického inženýrství - a postgraduální výzkumník Naoaki Yabuuchi.

Uhlíkové nanotrubice obvykle inklinují ke shlukování do svazků, takže exponovaného povrchu, na němž by mohly probíhat reakce, zbude méně. Hammond však v tiskové zprávě vysvětluje, že po přidání organických molekul se nanotrubice sestavují s „vysokým stupněm poréznosti při zachování velkého obsahu nanotrubic”.

Při stejné váze dokáží elektrody z tohoto nového materiálu poskytnout pětkrát větší výkon, než běžné kondenzátory. Celkové zvýšení napájecí síly bylo desetkrát větší, než u standardních li-ion baterií, čehož je podle týmu dosaženo především dobrou vodivostí iontů a elektronů v elektrodě, a také efektivním ukládáním lithia na povrchu nanotrubic.

Při výrobě materiálu pro tento typ elektrod byla použita fabrikace jednotlivých vrstev, kdy je základní materiál střídavě namáčen ve dvou různých roztocích, obsahujících uhlíkové nanotrubice obohacené o jednoduché organické sloučeniny. Sloučeniny jim pak dají buď kladný, nebo záporný náboj. Jak se tyto vrstvy na povrchu střídají, díky souvztažnému elektrickému náboji se pevně spojí dohromady, čímž vytvoří stabilní, trvanlivý povlak.

Kromě vysokého výkonu mají elektrody s uhlíkovými nanotrubicemi i velice stabilní životnost. Při testování nebyly zaznamenány žádné prokazatelné změny ve vlastnostech materiálu ani po tisíci cyklech nabití a vybití.

Ačkoliv elektrody, které tým  zkonstruoval, projevily zlepšený přísun energie pouze při vysokých výkonech, vyvíjejí nyní techniky, jak vyrobit tlustší elektrody a rozšířit jejich lepší vlastnosti také na nižší výstupní výkony.

„V současné podobě může být materiál použitelný v malých, přenosných elektronických zařízeních," říká Shao-Horn. „Kdyby se však uvedený vysoký výkon demonstroval v mnohem tlustší formě – o tloušťce stovek mikrometrů, namísto jen několika – mohla by být nakonec vhodná i pro jiná využití, například hybridní automobily."

Zatímco uhlíkové nanotrubice se doposud vyráběly pouze v malém množství, jak Seung Woo Lee podotýká, řada firem plánuje pustit se do jejich sériové výroby. Brzy by se tak mohly stát schůdným materiálem pro sériovou výrobu baterií.

Na druhou stranu studie zabývající se toxicitou nanotrubic ukazují, že zvláště dlouhodobé vystavení jejich vlivu může mít velmi nepříznivý dopad na lidské zdraví. Pokusy na zvířatech například dokázaly, že nanotrubice dokáží pronikat buněčnou stěnou a způsobovat řadu zdravotních potíží od plicního zánětu až po patologické změny podobné otravě azbestem.

Article in English