Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 32 – vyšlo 9. září, ročník 20 (2022) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

32/2022

Je hořčík nadějí pro skladování elektřiny?

Petr Kulhánek

Zelený úděl je zaklínadlem několika posledních let. Politizace problematiky nás postupně dovádí k likvidaci některých vymožeností naší civilizace na základě fanatizmu a víry, nikoli logiky. Největším skleníkovým plynem není oxid uhličitý, ale vodní pára. Pokud bude současný trend pokračovat, mohlo by to dojít k takovým absurditám, jako je daň z dýchání. Samozřejmě, že s vodní párou nic nezmůžeme, proto je snižování emisí oxidu uhličitého správnou cestou, která naší planetě jedině prospěje. Je ale třeba emise snižovat tam, kde jsou největší, nikoli tam, kde jsou nejnižší z celého průmyslového světa. To je stejné, jako kdybychom věřili, že podmáčený dům hrozící zřícením zachráníme tak, že před něj postavíme kompotovou misku na zachytávání dešťové vody. Zajímavým dogmatem je tlak na elektromobilitu, který zcela opomíjí jiné alternativy benzínových a naftových motorů i fakt, že současná výroba elektřiny produkuje CO₂ také a že jen emise přesuneme jinam. Výroba samotného elektromobilu a zejména lithiovýchLithium – nejlehčí ze skupiny alkalických kovů, značně reaktivní, stříbřitě lesklého vzhledu. Jedná se o lehký a měkký kov, který lze krájet nožem. Dobře vede elektrický proud a teplo. Bylo objeveno roku 1817 švédským chemikem Johannem Arfvedsonem. baterií je obrovskou ekologickou zátěží a likvidace starých baterií přírodě už vůbec nesvědčí. Vědecké odhady, nikoli politické, ukazují, že kvalitní dieselové motory ničí planetu řádově stejně jako elektromobily. V širším smyslu (nejen u elektromobilů) je největším problémem dlouhodobé uchovávání elektřiny. Lithiové baterie nemají příliš velkou budoucnost ze tří důvodů: jejich výroba je extrémně drahá, lithia máme omezené zásoby a výroba těchto baterií výrazně devastuje životní prostředí. Proto se dlouhodobě hledají finančně, energeticky i ekologicky únosné náhrady lithiových baterií. Jednou z možností, na níž se zaměříme v tomto bulletinu, je hořčíkHořčík – Magnesium, lehký, středně tvrdý stříbrolesklý kov, druhý nejlehčí z kovů alkalických zemin. Využívá se při výrobě lehkých a pevných slitin, jako redukční činidlo v organické syntéze a při pyrotechnických aplikacích. V léčitelství se soli hořčíku používají od 17. století. Čistý hořčík elektrolyticky připravil sir Humphry Davy roku 1808..

Krystaly hořčíku. Zdroj: CSIRO.

Lithium – nejlehčí ze skupiny alkalických kovů, značně reaktivní, stříbřitě lesklého vzhledu. Jedná se o lehký a měkký kov, který lze krájet nožem. Dobře vede elektrický proud a teplo. Bylo objeveno roku 1817 švédským chemikem Johannem Arfvedsonem. Hořčík – Magnesium, lehký, středně tvrdý stříbrolesklý kov, druhý nejlehčí z kovů alkalických zemin. Využívá se při výrobě lehkých a pevných slitin, jako redukční činidlo v organické syntéze a při pyrotechnických aplikacích. V léčitelství se soli hořčíku používají od 17. století. Čistý hořčík elektrolyticky připravil sir Humphry Davy roku 1808. MOF – Metal-Organic Framework, metaloorganická síť. Jde o sloučeninu skládající se z kovových iontů (nebo jejich shluků) a organických ligandů, která vytváří struktury s póry a dutinami. V těchto pórech jsou hostitelské molekuly, které lze odstranit a nahradit jinými molekulami. Struktury MOF tak mohou fungovat jako úložiště různých plynů, například vodíku nebo oxidu uhličitého. Ligand – iont či molekula, která poskytuje jeden nebo více elektronových párů pro vytvoření chemické vazby. Tyto páry přijímá tzv. centrální atom. Vzniklé vazbě se říká koordinačně kovalentní vazba.

Od lithia k hořčíku?

Dnešní běžně používané baterie s velkou kapacitou jsou většinou založené na iontech lithia Li⁺. Těžba lithia je ale značně náročná a stejně tak jeho zpracování, což se promítá nejen do ceny baterií, ale i do ekologické zátěže při jejich výrobě. Lithium je v zemské kůře obsaženo řádově v tisícinách procenta a patří k tzv. alkalickým kovům. Delší dobu se uvažuje o nahrazení lithia hořčíkem, kovem alkalických zemin, který je mnohem hojnější – v zemské kůře je zastoupen 2,5 procenty a jeho výroba je mnohem jednodušší, než je tomu u lithia. K výrobě baterií by mohly být jako nosiče elektrického náboje využity ionty Mg²⁺ v nějakém elektrolytu. Nevýhodou je velmi nízká iontová vodivost těchto médií, která zabraňuje konstrukci kvalitní baterie.

Průlom by mohl znamenat výzkum skupiny japonských vědců z Tokijské vědecké univerzityTUS – Tokyo University of Science, Tokijská vědecká univerzita, největší soukromá vědecká univerzita v Japonsku. Má čtyři kampusy v Tokiu a v Hokkaidó. Založena byla v roce 1881. Jde o jedinou soukromou asijskou univerzitu, která se může pyšnit nositelem Nobelovy ceny za přírodní vědy. a z Univerzity v Hokkaidó, kterou vede doktor Masaaki Sadakiyo. Již několik let se tato skupina snaží ke konstrukci baterie využít MOFMOF – Metal-Organic Framework, metaloorganická síť. Jde o sloučeninu skládající se z kovových iontů (nebo jejich shluků) a organických ligandů, která vytváří struktury s póry a dutinami. V těchto pórech jsou hostitelské molekuly, které lze odstranit a nahradit jinými molekulami. Struktury MOF tak mohou fungovat jako úložiště různých plynů, například vodíku nebo oxidu uhličitého. struktury – pórovité kovovo-organické sítě, v nichž se ionty hořčíku mohou pohybovat obdobně jako v elektrolytu. Skupina v roce 2020 zjistila, že pokud do pórů proniknou páry metanoluMetanol – neboli metylalkohol (MeOH) je bezbarvá lehká a hořlavá kapalina, chemicky CH₃OH, která má vůni podobnou etanolu. Vyrábí se destilací dřeva a využívá se jako polární rozpouštědlo. Pro člověka je jedovatý. (CH₃OH) nebo acetonitriluAcetonitril – také metylkyanid (MeCN), chemicky CH₃CN, je bezbarvá kapalina, která se používá jako polární rozpouštědlo. Acetonitril poprvé připravil francouzský chemik Jean-Baptiste Dumas v roce 1847. (CH₃CN), transport hořčíkových iontů je mnohem snadnější a vodivost dosáhne až 10^-4 S/cm. To je sice o řád méně, než je zapotřebí ke konstrukci baterie, ale o několik řádů více než bez použití par. Tento objev odstartoval další výzkum s různými MOF strukturami.

MOFMOF – Metal-Organic Framework, metaloorganická síť. Jde o sloučeninu skládající se z kovových iontů (nebo jejich shluků) a organických ligandů, která vytváří struktury s póry a dutinami. V těchto pórech jsou hostitelské molekuly, které lze odstranit a nahradit jinými molekulami. Struktury MOF tak mohou fungovat jako úložiště různých plynů, například vodíku nebo oxidu uhličitého. krystaly zobrazené elektronovým mikroskopem. Zdroj: CSIRO.

V dalším výzkumu tato vědecká skupina připravila ke svým experimentům MOFMOF – Metal-Organic Framework, metaloorganická síť. Jde o sloučeninu skládající se z kovových iontů (nebo jejich shluků) a organických ligandů, která vytváří struktury s póry a dutinami. V těchto pórech jsou hostitelské molekuly, které lze odstranit a nahradit jinými molekulami. Struktury MOF tak mohou fungovat jako úložiště různých plynů, například vodíku nebo oxidu uhličitého. strukturu označovanou jako MIL-101. Detaily přípravy jsou v článku [1], který vyšel v květnu 2022. Pro naše účely postačí konstatování, že tato struktura má větší póry než ty, které používali vědci dříve. Právě proto dosáhli přelomové vodivosti vyšší než 10^-3 S/cm, a to za pokojové teploty 25 °C. Taková vodivost je považována za hranici pro konstrukci baterie. Hořčíkové ionty Mg²⁺ byly do pórů integrovány spolu s tri-fluormetan-sulfonil-imidem (TFSI), což se zapisuje pro fyzika poněkud nevzhledným chemickým vztahem MIL-101 ⊃ {Mg(TFSI)₂}_1.6. Vodivost byla opět zvýšena přítomností par metanoluMetanol – neboli metylalkohol (MeOH) je bezbarvá lehká a hořlavá kapalina, chemicky CH₃OH, která má vůni podobnou etanolu. Vyrábí se destilací dřeva a využívá se jako polární rozpouštědlo. Pro člověka je jedovatý. (CH₃OH) a acetonitriluAcetonitril – také metylkyanid (MeCN), chemicky CH₃CN, je bezbarvá kapalina, která se používá jako polární rozpouštědlo. Acetonitril poprvé připravil francouzský chemik Jean-Baptiste Dumas v roce 1847. (CH₃CN). V experimentech nebyla měřena jen iontová vodivost, ale byly také sledovány další parametry infračervenou spektroskopií a retgenovou práškovou difraktometrií (XRPDXRPD – X-Ray Powder Diffraction, prášková rentgenová difrakční analýza, analytická metoda zabývající se studiem krystalické struktury materiálů na molekulární či atomární úrovni, prostřednictvím difrakce RTG záření na těchto částicích. Pakliže vzorek není ve formě monokrystalu, rozemele se na jemný prášek a namísto směru se poté analyzuje pouze závislost intenzity difraktovaného záření na úhlu mezi primárním a difraktovaným paprskem.).

Nahoře: Začleňování molekul a iontů do struktury MOF. Dole: Závislost iontové vodivosti struktury MIL-101 ⊃ {Mg(TFSI)₂}_1.6 na teplotě v přítomnosti různých hos­ti­tels­kých par a molekul dusíku. Zdroj: Yuto Yoshida, JACS.

Výsledky experimentů jsou velmi slibné. Historicky poprvé dosáhla vodivost hořčíkových iontů Mg²⁺ ve struktuře MOF hodnotu, která umožňuje konstrukci baterie. Ta by mohla v budoucnosti nahradit baterie založené na iontech lithia Li⁺. Hořčíku je v přírodě mnohem více, snadněji se zpracovává, jeho těžba, výroba baterií i jejich likvidace je méně náročná a ekologicky mnohem příznivější. Proto by cena hořčíkových baterií byla výrazně nižší než lithiových. K baterii využitelné v elektromobilech i jinde je ale ještě daleká cesta od laboratorních experimentů k prvním prototypům a teprve poté k průmyslové výrobě. Nicméně naděje na výrobu levných a šetrných úložišť elektrické energie, která by nahradila stávající lithiové baterie, zde je.

Odkazy