Transparentní baterie místo oken

Transparentní baterie by mohly nahrazovat sklo v oknech. Zatím mají jen velmi malý výkon, ale ten se bude jistě zvyšovat. Většina výzkumů baterií se zaměřuje na zvyšování elektrického výkonu nebo zvyšování energetické hustoty, avšak Hironobu Minowa a jeho tým z japonského komunikačního obra NTT místo toho hledají baterii, která by byla co nejméně nápadná. Tým musel vytvořit nové verze komponent baterie, aby se snížila celková absorbce a reflexe světla. Výsledkem je baterie o velikosti A4, která má kapacitu pouze 1 mAh (miliamperhodin), čili tisíckrát menší, než jiné baterie. Její výkon však stačí napájet LEDku nebo digitální hodiny. Protože se v domácnostech neustále rozšiřuje použití drobných chytrých zařízení, mohou transparentní baterie pomoci omezit počet rozličných kabelů a bateriových zařízení.

První prototyp baterie sestrojil Minowův tým v roce 2018; od té doby se podařilo zdvojnásobit výkon a ztrojnásobit transparentnost. I když se dosud nepodařilo vyrobit baterie větší než A4, je možné je spojit dohromady jako několik okenních skel a tak výkon zvýšit. „Schopnost přeměnit okna na baterie by mohla být revolučním činem“, prohlásil Kevin Curran z britské Ulster University a pokračoval: „Transparentní baterie by mohly nalézt využití v chytrých brýlích, ve vozidlech a dokonce v kontaktních čočkách se senzory. Pokud budou transparentní baterie široce k dispozici, bude možné zavádět více pěkných zařízení“.

Nápad vytvořit průsvitnou baterii je starší

Yuan Yang, Sangmoo Jeong, Liangbing Hu, Hui Wu, Seok Woo Lee, and Yi Cui z různých amerických institucí publikovali článek o svých objevech v Proceedings of National Academy of Sciences of USA již v r 2011. Již v té době přitahovala transparentní zařízení značnou pozornost. Vytvářely se různé aplikace, včetně displejů, dotykových obrazovek a solárních článků. Transparentní baterie, klíčová součást plně integrovaných průhledných zařízení, však do té doby nebyly. Baterie zaujímá v mnoha zařízeních (např. mobilní telefony a tablety) značnou plochu a objem. Jelikož materiály bateriových elektrod nejsou průhledné a musejí být dostatečně silné, aby uchovávaly energii, tradiční přístup použití tenkých vrstev pro průhledná zařízení není vhodný. Autoři navrhli mřížkovou strukturovanou elektrodu vyrobenou s podporou mikrofluidiky. Rozměr prvku v elektrodě je pod limitem rozlišení lidských očí, proto se elektroda jeví jako průhledná. Navíc spojením více elektrod dohromady se množství uložené energie snadno zvyšuje, aniž by se obětovala průhlednost. Výsledkem je baterie s hustotou energie 10 Wh/dm³ při průhlednosti 60 %. Je také flexibilní, ohebná, což dále rozšiřuje její potenciální aplikace.

Proč je problém udělat průhlednou baterii

Baterie se obvykle skládá z elektrodových materiálů, sběračů proudu, elektrolytu, separátorů a obalů. Žádný z nich není průhledný, kromě elektrolytu. Jelikož jsou tyto komponenty v sérii, musí být všechny průhledné, aby bylo celé zařízení transparentní. Široce používanou metodou pro výrobu transparentních zařízení je snížení tloušťky aktivních materiálů až na mnohem menší tloušťku, než je jejich optická absorpční délka, jak dokazují uhlíkové nanotrubičky, grafen a organické polovodiče. Tento přístup však není vhodný pro baterie. Například LiCoO₂ a grafit, nejběžnější katoda a anoda v Li-ion bateriích, jsou dobrými absorbéry světla i při tloušťce menší než 1 μm. U elektrod je navíc vždy zapotřebí přísada černého vodivého uhlíku, která zaujímá nejméně 10 % celkového objemu. Naproti tomu pro napájení běžné přenosné elektroniky musí být celková tloušťka elektrodového materiálu řádově 100 μm – 1 mm, tedy mnohem větší než absorpční délka elektrodových materiálů. Skutečnost je, že průhlednost materiálů klesá exponenciálně s tloušťkou, zatímco množství uložené energie se zvyšuje pouze lineárně s tloušťkou. Některé průhledné materiály, jako je například oxid india (In₂O₃), lze použít pro baterie, při cyklování však dochází k tvorbě kovových nanočástic a oxidů lithia, což výrazně průhlednost zhoršuje.

Jak to udělat, aby to šlo

Autoři navrhli unikátní metodu výroby mřížkové bateriové elektrody naplněné nanomateriály s pomocí mikrofluidiky. Mikrofluidika je nový obor mechaniky tekutin zabývající se prouděním v zařízeních s velmi malými rozměry. Kanálky pro proudění tekutin v mikrofluidice mají rozměry od jednotek mikrometrů po jednotky milimetrů. Baterie se jeví jako průhledná, protože materiály elektrod v mřížce pokrývají pouze malou část celé oblasti a mřížka má menší rozměry než detekční limit pro lidské oči. Autoři vyrobili lithium-iontové baterie s různými průhlednostmi. Předvedli například celou buňku s hustotou energie 10 Wh/dm³, včetně obalu, s průhlednosti 60 %. Navíc vyrovnáním více průhledných baterií do série by se uložená energie mohla snadno zvětšit, aniž by byla obětována průhlednost zařízení.

Design a výroba průhledných Li-Ion baterií

Baterie je sestrojena tak, aby netransparentní materiály pokrývaly pouze malou část celé oblasti zařízení. Neprůhledné materiály bateriové elektrody (černé) a kovové sběrače proudu jsou ve formě tenké mřížky, zatímco zbytek substrátu elektrody je průhledný. Pokud je rozměr čar mřížky srovnatelný nebo menší než rozlišení lidských očí (50–100 μm), je neprůhledná mřížka elektrod k nerozeznání od transparentního substrátu. V důsledku toho se celé zařízení jeví jako průhledné. Použitím více vrstev elektrod na sobě se průhlednost nesnižuje, zatímco akumulovaná energie se zvyšuje lineárně. Při průhlednosti 60 % je teoretická hustota energie přibližně 100 Wh/dm³ s obalem, což je srovnatelné s hustotou energie olověných a NiCd dobíjecích baterií. Změnou šířky a prostoru v mřížce lze vyrobit baterie s průhledností 30 %, 60 % a 78 %.

Vytvořit takovou strukturu není jednoduché

Bateriová elektroda je silný porézní film (obvykle 30 μm – 300 μm), složený z heterogenních prášků se zcela odlišnými vlastnostmi: anorganické aktivní materiály, nanočástice sazí a lepicí organické pojivo. Elektrochemický výkon těchto materiálů je navíc citlivý na poškození a povrchové úpravy. Tradiční metody leptání nebo litografie používané při zpracování elektroniky proto nejsou vhodné. Inkoustový tisk inkousty s nízkou viskozitou je efektivní pro výrobu tenkých elektrod, je však obtížné tisknout velmi úzké čáry. Kromě toho je pravděpodobné, že materiály vzorované inkoustovým tiskem difundují ze své původní polohy, což by mohlo při dlouhodobém provozu průhlednost výrazně snížit. K překonání těchto obtíží vymysleli autoři jedinečnou metodu mikrofluidiky. Nejprve se vyrobí substrát polydimethylsiloxan (PDMS) s mřížkovými rýhami širokými 35 μm. Poté se na PDMS jako sběrač proudu napaří 100 nm zlatý film. Poté je vzorek zpracován ve vzduchové plazmě po dobu 90 s, aby byl jeho povrch hydrofilní. Na jednom konci se rýhy uzavřou. Poté, co se na jednu stranu PDMS přivede vodný roztok obsahující aktivní elektrodový materiál (18 % – 20 % hmotnostních ve vodě), kapilární síly jej vtáhnou do uzavřených rýh - kanálků, ze kterých dále protéká všemi kanálky v zařízení. Aktivní materiály o nano rozměrech vyplňovaly kanálky rychleji a rovnoměrněji než částice o velikosti mikronů. Jako katodový a anodový materiál jsou použity LiMn₂O₄ a Li₄Ti₅O₁₂. Čas na vyplnění kanálku o délce 1 cm trvá pouze 0,4 s.

Dalším krokem je odloupnutí vrstvy zlata z PDMS. Tento proces vede k výrobě jediné transparentní elektrody s kovovými sběrači proudu a elektrodovými materiály uzavřenými v mikrokanálcích. Poté se dvě elektrody a kousek transparentního gelového elektrolytu spojí dohromady. Pokud se mřížkové vzory ve dvou elektrodách navzájem neshodují, průhlednost se po stohování (vrstvení) exponenciálně sníží. Sestavení buněk se provádí ručně v optické mikroskopii při zvětšení přibližně 20 ×, což vede k přesnosti lepší než 10 μm. Tento proces montáže lze v budoucnu provést ve skutečné výrobě baterií automaticky a s lepší přesností. Nakonec se sendvičová struktura utěsní uvnitř průhledného polymerního sáčku se dvěma kusy hliníkového pásku vyčnívajícími jako sběrač proudu, který má stejnou konfiguraci jako buňka sáčku, kromě toho, že všechny součásti jsou průhledné.

Zdroje:

https://www.pnas.org/content/108/32/13013

Edd Gent: Transparent battery looks like glass. New Scientist, 2019, č. 3257, s. 11.