Od izolantu ke zbraňovému systému energetické revoluce

Plasty po desítky let sloužily hlavně jako izolanty. V 70. letech ale vědci náhodou zjistili, že některé polymery mohou i vést elektrický proud. A právě tehdy začal příběh materiálu zvaného PEDOT – vodivého plastu, který se dnes používá ve všem od solárních článků až po dotykové displeje. Jenže pro ukládání energie se příliš nehodil. Měl nízkou vodivost a malou plochu pro ukládání náboje.

Vědci z UCLA tento problém vyřešili elegantně. Místo plochého filmu vytvořili z PEDOTu prostorovou strukturu složenou z vertikálních nanovláken. Ty připomínají hustý trávník nebo srst – a právě díky ní se dramaticky zvětšila plocha, na které lze ukládat elektrický náboj.

Superkondenzátor: rychlejší, odolnější, ekologičtější

Zatímco baterie fungují na bázi pomalých chemických reakcí, superkondenzátory pracují s povrchovým nábojem. Nabíjejí se téměř okamžitě, vydrží tisíce cyklů a jsou ideální všude tam, kde je potřeba rychlý výdej energie – třeba při rekuperačním brzdění v elektromobilech nebo v blescích fotoaparátů.

Problém byl vždy v kapacitě – kolik energie takový kondenzátor dokáže vlastně uložit? A právě tady přichází na scénu nový PEDOT od UCLA. Díky zmíněné chlupaté struktuře dokáže uložit téměř desetkrát více energie než jeho standardní verze. Při testech vydržel téměř 100 000 nabíjecích cyklů, což z něj dělá jednoho z nejodolnějších kandidátů pro budoucí použití.

Rekordní výsledky, které přepisují tabulky

Podle výzkumu zveřejněného v Advanced Functional Materials dosahuje nová struktura PEDOTu vodivosti stonásobně vyšší než běžně dostupné varianty. Jeho elektrochemicky aktivní plocha je čtyřikrát větší než u tradičního PEDOTu a výsledná kapacita přesahuje 4600 mF/cm² – téměř o řád víc než u komerčních materiálů.

A není to jen o kapacitě. Nový materiál je i neobvykle stabilní – zvládne desítky tisíc cyklů bez znatelné ztráty výkonu, což je pro energetickou infrastrukturu zásadní.

Jak se rodí energetická budoucnost

Celý proces výroby není nijak přehnaně složitý. Vědci vytvořili směs s grafenem, nanovločkami oxidu grafenu a chloridem železitým, kterou umístili na grafitový plátek. Poté jej vystavili páře s prekurzory PEDOTu. Místo rovné vrstvy vznikla vrstva připomínající hustý mech. A právě tahle „srst“ je tajemstvím extrémního výkonu.

Zdroj: Shutterstock

Jak vysvětluje jeden z autorů studie, Maher El-Kady: „Tradiční PEDOT filmy mají příliš malou plochu, aby mohly uchovat velké množství náboje. My jsme díky nové struktuře tuto plochu dramaticky zvětšili a tím jsme zvýšili i energetickou kapacitu.“

Naděje pro obnovitelné zdroje

Podle profesora Richarda Kanera, který se výzkumu vodivých polymerů věnuje více než 37 let, jde o přelom s přímým dopadem na praxi. Superkondenzátory založené na tomto materiálu mohou významně posílit efektivitu obnovitelných zdrojů, a to jak ve spotřební elektronice, tak v rozsáhlých systémech pro ukládání energie.

„Výjimečná vodivost a životnost těchto elektrod představuje reálný příspěvek k řešení globálních energetických problémů,“ shrnuje Kaner, který se v mládí podílel na výzkumu, za nějž jeho učitelé později získali Nobelovu cenu.