Stavební cihly mohou být přeměněny na zařízení pro ukládání energie, která je dostatečně silná na to, aby dokázala rozsvítit LED světla. Cihly, z nichž jsou postaveny zdi domu, by jednou mohly být řešením zelené energie. Aby byly běžné cihly schopné skladovat elektřinu, výzkumníci do nich přidali sérii plynů. Prvky reagují s chemickými složkami cihel a pokrývají je sítí plastových nanovláken, která jsou dobrými vodiči elektřiny. S touto příměsí jsou pak cihly schopné uchovávat energii. Věc má však stále mnoho nejasností.

Sci-fi se stává realitou

Před čtvrt stoletím americký spisovatel Larry Niven ve sci-fi povídce ,,Žena v kráteru Del Rey“ píše o povlaku na získávání energie. Ten jakoby z oka vypadl tomu, s čím nyní přichází parta výzkumníků z Washington University. Vědci hodlají spižírny energie dělat ze stále ještě nejběžnějšího stavebního materiálu – pálených cihel. Jejich červená barva nanesením polymeru a ochranného povlaku z pryskyřice hodně ztmavne, takže vizionář Niven se i tou barvou docela trefil.

Oříškem je skladování

Elektřina je potvora. Do pytle ji neschováš, a když ji chytneš, tak tě praští. Lidstvo hledá nejrůznější způsoby, jak by se dala skladovat elektrická energie. Tajemství úspěchu, respektive velice nadějným příslibem do budoucnosti, je polymerem PEDOT, který už vědci zkoušeli využít např. ke stabilizaci katod. Na Washington University jej aplikovali na tradiční oranžové cihly, ze kterých se domy staví už několik tisíc let. Doposud ale kromě stavebního prvku a termoizolace neměly další funkce.

Vědci z této univerzity si ale myslí, že by tomu mohlo být i jinak právě díky výše zmíněném polymeru. Na tradiční cihly s pomocí vysoké teploty 160 °C a různých materiálů byli schopni nanést vrstvu polymeru PEDOT, což je možné i díky červenému barvivu cihel, oxidu železitému (Fe₂O₃).

Cihly energií nabité

Cihly už nebudou sloužit jen na stavbu domů a dalších budov. Dostanou novou funkci, která dokáže rozsvítit světla a napájet menší elektroniku. Z materiálu se stane úložiště elektřiny dodávající energii zeleným domům. „To, co jsme v naší práci prokázali, je dostačující k rozsvícení osvětlení, které by mohlo být zakotveno uvnitř stěn domu,“ řekl jeden z autorů studie Julio M. D’Arcy, odborný asistent chemie na Washingtonské univerzitě v St Louis v Missouri.

Vše začalo v automobilovém průmyslu

Aplikace polymeru PEDOT se provádí pomocí chemické depozice z plynné fáze, což zajistí, že je pokryta celá katoda a nejsou zde hluchá místa. Zatímco běžné povrchové vrstvy přenosy iontů zpomalují, zde je tomu naopak a podporují ho. Další výhodou je ve výsledku to, že zatímco samotný článek Li-Ion akumulátoru má běžně napětí 4,2 V, v tomto případě se zvýšilo zhruba o 15 % na 4,6 V. Díky tomu by takové články mohly pojmout více energie. Zatím však není vůbec jasné, zda budou nové poznatky aplikované i v praxi, případně kdy by k tomu mohlo dojít.

Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) a Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory spolu tři roky pracovaly na vývoji nových technologií pro tradiční lithiové akumulátory. Ty mají spoustu problémů a jedním z nich je i stabilita katod. Už nějakou dobu se používají speciální povrchové vrstvy na katodách, které zlepšují jejich odolnost vůči nechtěným chemickým reakcím s elektrolytem a snižují energetické ztráty, ale ani tato řešení dosud nebyla dokonalá a přinášela i pár problémů navíc. Jedním z problémů je pomalejší průnik iontů, pomalejší nabíjení a podobně. Nově vyvinutá povrchová vrstva PEDOT ale tyto problémy nemá a ještě vylepšuje některé další vlastnosti.

Superkapacitory mají oproti tradičním akumulátorům výhody i nevýhody. Nevýhodou je sice nižší energetická hustota, to ale v tomto případě není zrovna problém. Cihel je v domě více než dost. U automobilů se superkapacitory používají např. ve Formuli 1 v systému KERS, komerčně jej má např. Mazda ve své i-Eloop. Naopak výhodou je výrazně menší ekologický dopad a bleskurychlé nabíjení v řádu sekund. Jednou z dalších výhod je i vysoká životnost. I po 10 tisících cyklech si zachovává 90 % původní kapacity a nijak se nezmění rychlost nabíjení a vybíjení. Pokud se na cihlu aplikuje epoxidová ochranná vrstva, bude taková cihla i vodě odolná a přitom si při správném zapojení zachová možnosti skladování elektrické energie.

Kdepak Řekové… již Číňané

Historie vypalovaných cihel sahá až do neolitické Číny. Teď to vypadá, že po tisíci letech, a znovu zásluhou Číňanů, dostanou cihly novou šanci. Jak jsme již psali, cihly dovybavené povlakem z vodivého polymeru, mohou sloužit jako stacionární superkondenzátory.

Hongmin Wang se svými kolegy údajně vyvinuli levný způsob, jak pomocí par kyseliny na cihlu nanášet při teplotě 160 stupňů Celsia povlak vodivého polymeru. Protože je cihla porézní materiál, napařovaný polymer se vsákává a jeho vodivá nanovlákna pronikají hluboko pod povrch. Výsledkem je jakási iontová houba schopná uchovat elektrický náboj, a tím i elektrickou energii.

Na porvchu se pak vytvoří tenoučká vrstvička polymeru, která zasahuje i porézní struktury samotné cihly a vytváří tak superkapacitor. I když jde o soustavu kondenzátorů, výsledkem je něco, co se po vhodném propojení svou funkcí baterii hodně podobá. Má to dokonce i nějaké přednosti. Lze to například velmi rychle (v řádu sekund) nabít i vybít. Zachová si to svou počáteční kapacitu po mnoho tisíc nabíjecích cyklů. I po deseti tisících cyklech zůstává na 90 %.

Kladem takové „baterie“ by bylo, že by pracovala efektivně při teplotách od -20 do + 60 °C. To, že cihlový kondenzátor lze dobíjet i sto tisíckrát za hodinu, je výhodou například ve spojení s mikroelektronickými senzory. A tak kdo ví, možná se v použití cihel u rodinných domků dočkáme jisté renesance. Architektům by měly být schopny nabídnout trochu víc, než beton.

Ještě zbývá dodat, že aby se cihly nezkratovaly, vyvinuli vědci k jejich separaci speciální gel z vinylalkoholu a jedno molární kyseliny sírové. Uvedená kombinace vykonává funkci, jak elektrolytu, tak i separátoru. Vnější ochranu a vodě odolnost tomu všemu pak dodává nástřik pryskyřicí.

Teorie prozatím nemá využití v praxi

Výrobci cihel na tuzemském trhu podobné inovace prozatím nechystají. „V dnešní době se vymýšlí a vylepšuje převážně designová stránka cihel, ať už jde o formát, jiný tvar, barevnost, či pevnost. Základ jako takový však vždy zůstává stejný,“ popisuje obchodně technický zástupce firmy Brickland Jan Drahoňovský. „Lícová cihla jako taková nemá potenciál sama o sobě být úložištěm energie a není u ní normovaný požadavek ani na akumulaci tepla. Lícový materiál je čistě estetická záležitost na provětrávané fasády,“ říká Drahoňovský.

Podle něj Česká republika nemá potenciál stát se globálním ani evropským hráčem na trhu se zdicím materiálem. „Proto předpokládáme, že čeští výrobci dlouhodobě neplánují žádné novinky. U cihel bych potvrdil výrok, že vše, co se dá vynalézt, už bylo vynalezeno,“ uvedl Drahoňovský. Společnosti se podle něj budou spíše soustředit na modernizaci a zefektivnění výroby cihel, snížení nákladů firem, zvýšení zisku a kvality cihel.

Jenže řetěz věda – vývoj – praxe, jde tak rychle kupředu, že se za pár let můžeme dost divit. Jeden chytrák se taky chystal zrušit patentový úřad, protože přece vše již bylo vynalezeno…

Pokud jde o výzkum, ten je ve fázi tzv. proof-of-concept (ověření konceptu). To znamená, že vědci teprve veřejnosti demonstrovali, že něco takového vůbec funguje a technologie lze použít k dané funkci. Rozhodně to ale neznamená, že je hotovo a může jít v brzké době na trh. Ostatně zde to zkoušeli jen na malých cihličkách objemu pár desetin cm³, které rozsvítili malou zelenou LEDku. Takové zprávy o výzkumu se pochopitelně dají použít i dalšími týmy k hledání jiných způsobů využití materiálu PEDOT.

Text: Jiří Kučera z podkladů Nature Communications, News Washington University in St.Louis a techxplore.com