Vývoj energetických úložišť, která by zvládala současně vysokou kapacitu i vysoký výkon, byl dlouhodobě považován za oříšek. Stávající baterie nabízejí dostatek kapacity, avšak trpí pomalým nabíjením a opotřebením. Naopak superkondenzátory se nabíjejí bleskově a snesou desítky tisíc cyklů, ale zatím jim scházela dostatečná energetická hustota pro dlouhodobé použití.

Právě tuto mezeru nyní zaplnil tým vědců vedený Dr. Bon-Cheol Ku a Dr. Seo Gyun Kim z Korejského institutu vědy a technologií (KIST), ve spolupráci s profesorem Yuanzhe Piaem ze Soulské národní univerzity (SNU). Jejich řešení má potenciál stát se základem nové generace akumulačních technologií.

Uhlíkové nanotrubice a vodivý polymer: klíč k průlomu

Základem nového superkondenzátoru je unikátní vláknitá struktura složená ze single-walled carbon nanotubes (CNTs) – tedy jednoduše řečeno uhlíkových nanotrubic – a vodivého polymeru polyanilinu (PANI).

Zdroj: Shutterstock

Uhlíkové nanotrubice vynikají vysokou vodivostí, pevností a stabilitou. Jejich nevýhodou ale byly dosud vysoké výrobní náklady. Polyanilin naopak představuje cenově dostupný a snadno zpracovatelný materiál s velmi dobrými elektrochemickými vlastnostmi.

Chemickou vazbou těchto dvou látek na nanoskopické úrovni vznikla vláknitá kompozitní struktura, která významně usnadňuje pohyb jak elektronů, tak iontů. Výsledkem je superkondenzátor, který nejen vydrží více než 100 000 nabíjecích a vybíjecích cyklů, ale také nabízí vyšší energetickou hustotu a rychlejší uvolňování energie.

Co to znamená v praxi?

Z pohledu uživatele přináší nový superkondenzátor hned několik zásadních výhod:

• Extrémně rychlé nabíjení, podstatně rychlejší než u běžných baterií
• Vysoký výkon i ve vysokonapěťovém prostředí
• Minimální opotřebení i po dlouhodobém používání
• Flexibilní konstrukce, kterou lze využít například v nositelných zařízeních

V oblasti elektromobility tato technologie umožní rychlejší dobíjení, prodloužení dojezdu a lepší výkon při akceleraci. Drony a robotická zařízení získají delší provozní dobu i vyšší spolehlivost.

Díky flexibilní povaze vláknité struktury se navíc technologie hodí i pro nositelnou elektroniku budoucnosti – například ohebná chytrá zařízení, která lze ohýbat nebo skládat.

Masová výroba a cenová dostupnost

Důležitou součástí výzkumu bylo také snížení výrobních nákladů. Až dosud byly uhlíkové nanotrubice kvůli ceně spíše doménou laboratorních experimentů. Kombinace s levným polyanilinem a zjednodušení výrobního procesu však umožnily první kroky k masové výrobě.

Vědcům se dokonce podařilo vyvinout filmové struktury na bázi nové technologie, které dále usnadní komerční využití.

Využití napříč obory

Možnosti použití nové technologie jsou široké:

• Elektromobilita (obecně) – rychlé nabíjení a delší dojezd
• Drony a robotika – vyšší spolehlivost a výdrž
• Nositelné technologie – ohebné, výkonné zdroje energie
• Elektronika nové generace – pro zařízení, která budou vyžadovat pružnost a vysokou energetickou hustotu

Dr. Bon-Cheol Ku z KIST: „Tato technologie překonává limity dosavadních superkondenzátorů díky využití uhlíkových nanotrubic a vodivých polymerů. Budeme pokračovat ve vývoji a průmyslovém nasazení ultravykonných uhlíkových vláken na bázi nanotrubic.“

Odborné zázemí výzkumu

Výzkum byl podpořen Ministerstvem vědy a ICT Jižní Koreje a Ministerstvem obchodu, průmyslu a energetiky. Výsledky byly publikovány v prestižním mezinárodním časopise Composites Part B: Engineering (impact faktor 12.7).

Současně byly podány patentové přihlášky v Jižní Koreji i USA, což potvrzuje komerční potenciál této technologie.

Vývoj nové generace superkondenzátorů na bázi CNT a PANI otevírá cestu k vysoce výkonným, rychle dobíjitelným a dlouhověkým energetickým úložištím.

V době, kdy svět hledá efektivnější způsoby ukládání energie pro elektromobilitu, robotiku i nositelnou elektroniku, může tato technologie přinést revoluční změnu.

Pokud výzkumníkům v Koreji podaří dotáhnout proces masové výroby, mohli bychom se v příštích letech dočkat bateriových řešení, která doslova překreslí pravidla hry.