VÝZKUM A VÝVOJ
technik) v Oberhausenu spolupracují se společ- ností PROCERAM GmbH & Co. KG na vývoji udržitelného a cenově dostupného minerálního izolačního materiálu, který je mnohem účinnější než izolanty, jako je polystyren. Tímto materiálem lze dosáhnout stejné úrovně izolace jako polysty- renem při poloviční tloušťce vrstvy. Aerogely, které jsou z 99,8 % tvořeny vzdu- chem, jsou nejlehčí a nejúčinnější izolační ma- teriály na světě. Protože se vyrábějí z nezávadné suroviny oxidu křemičitého, jsou také udržitelné a lze je vyrábět bez použití petrochemických látek. Dosud však nasazení aerogelů omezo- vala vysoká cena. Běžná výroba aerogelů je to- tiž nákladná a časově náročná. Proto se dosud používaly převážně jen pro specifické aplikace, například ve skafandrech. Cenově dostupná výroba aerogelu ve vel- kém měřítku Společnost PROCERAM GmbH & Co. KG spat- řila v této výzvě příležitost a stanovila si za cíl vyrábět aerogely za dostupnou cenu ve velkém. Pokud by se podařilo vyvinout cenově dostupný nehořlavý minerální izolační materiál, který by byl účinnějším izolantem než alternativní materiály na bázi fosilních paliv, znamenalo by to revoluci v odvětví izolací. Za tímto účelem se podnika- telé obrátili na odborníky z Fraunhoferova insti- tutu UMSICHT. Společně během šesti let vyvinuli novou technologii výroby aerogelů. Jejich systém lze plně rozšířit z laboratorní na předkomerč- ní úroveň výroby, a to bez jakýchkoli chemikálií zatěžujících životní prostředí. Nový proces také snížil náklady na výrobu dříve drahých aerogelů o 70 % a zkrátil dobu výroby z více než 10 hodin na pouhé 2,5 hodiny. Obr.: Aerogel se rozdrtí na zrnka o veli- kosti 2 až 4 milimetry a přimíchá se do izolační omítky
viny, jako je lithium. Důvodem je skutečnost, že hliník je jedním z nejběžnějších prvků v zemské kůře, snáze se recykluje a je také bezpečnější a levnější než lithium. Vývoj takových hliníko- -iontových baterií je však stále v plenkách, pro- tože stále chybí vhodné elektrodové materiály, které by poskytovaly dostatečnou kapacitu. Vý- zkumný tým pod vedením Gauthiera Studera a pod vedením Prof. Dr. Birgit Esserové z Uni- verzity v Ulmu a Prof. Dr. Ingo Krossinga a Prof. Dr. Anny Fischerové z Univerzity ve Freiburgu nyní vyvinul slibný elektrodový materiál tvořený organickým redoxním polymerem na bázi feno- thiazinu. Při experimentech s hliníkovou baterií s tímto elektrodovým materiálem baterie uchová- vala dosud nedosaženou kapacitu 167 miliam- pérhodin na gram (mAh/g). Organický redoxní polymer tak překonává kapacitu grafitu, který se jako elektrodový materiál v bateriích dosud větši- nou používal. Výsledky vědci publikovali v časo- pise Energy & Environmental Science . Materiál elektrody obsahuje komplexní anionty hliníku Elektrodový materiál se během nabíjení bate- rie oxiduje, čímž přijímá komplexní hlinitanové anionty. Organický redoxní polymer poly(3-vinyl- -N-metylfenothiazin) tak dokáže během nabíjení reverzibilně vložit dva [AlCl 4 ] – anionty. Výzkumní- ci použili jako elektrolyt iontovou kapalinu etylme- tylimidazoliumchlorid s přídavkem chloridu hlini- tého. „ Studium hliníkových baterií je vzrušující oblastí výzkumu s velkým potenciálem pro bu- doucí systémy skladování energie, “ říká Gauthier Studer. „ Zaměřujeme se na vývoj nových organic- kých redoxně aktivních materiálů, které vykazují vysoký výkon a reverzibilní vlastnosti. Studiem redoxních vlastností poly(3-vinyl-N-metylfenothia- zinu) v iontové kapalině na bázi chloraluminátu jsme dosáhli významného průlomu, když jsme poprvé prokázali reverzibilní dvouelektronový redoxní proces pro elektrodový materiál na bázi fenothiazinu. “ Po 5000 nabíjecích cyklech při rychlosti 10 C si baterie zachovává 88 % své kapacity. Poly(3-vi- nyl-N-metylfenothiazin) ukládá anionty [AlCl 4 ] – při potenciálech 0,81 a 1,65 V a poskytuje měrnou kapacitu až 167 mAh/g. Oproti tomu vybíjecí kapacita grafitu jako elektrodového materiálu v hliníkových bateriích je 120 mAh/g. Po 5 000 nabíjecích cyklech má baterie představená vý- zkumným týmem stále 88 % své kapacity s rych- lostí nabíjení 10 C, tj. při rychlosti nabíjení a vy- bíjení 6 minut. Při nižší rychlosti C, tj. delší době nabíjení a vybíjení, se baterie vrací beze změny ke svým původním kapacitám. „ Díky vysokému vybíjecímu napětí a měrné kapacitě, jakož i vynikajícímu zachování kapacity při vysokých rychlostech C, představuje tento elektrodový materiál významný pokrok ve vývoji dobíjecích hliníkových baterií, a tím i pokročilých a cenově dostupných řešení pro ukládání ener- gie, “ říká Birgit Esserová. » www..uni-freiburg.de AEROGELY: UDRŽITELNÁ A DOSTUPNÁ IZOLACE BUDOV Chceme-li dosáhnout klimatických cílů, mu- síme systematicky snižovat emise CO 2 . Klíčovou složkou tohoto cíle je zateplování budov. Výzkum- níci z Fraunhoferova institutu pro životní pro- středí, bezpečnost a energetickou techniku UMSICHT (Umwelt-, Sicherheits- und Energie-
ENERGETICKY ÚČINNÁ A NÍZKOEMISNÍ RECYKLACE KARBIDU KŘEMÍKU
Karbid křemíku je vyhledávaným průmyslovým materiálem se širokým spektrem aplikací. Tento extrémně tvrdý a žáruvzdorný materiál se používá například pro výrobu žáruvzdorných komponentů a polovodičů. Jeho výroba je však energeticky náročná a produkuje velké množství oxidu uhliči- tého, stejně jako značné množství vedlejších pro- duktů a odpadních látek. Výzkumníci z Fraunho- ferova institutu pro keramické technologie a systémy IKTS vyvinuli technologii RECOSiC © , což je recyklační proces obzvláště šetrný k ži- votnímu prostředí, který tyto vedlejší a odpadní produkty přeměňuje zpět na vysoce kvalitní kar- bid křemíku. Tímto novým procesem se zvyšuje výtěžnost a také se snižuje závislost na dodava- telích surovin. Obr.: RECOSiC © v uzavřené high-tech peci vyrábí karbid křemíku vysoké čis- toty
Karbid křemíku (SiC) je díky své enormní tvr- dosti (téměř stejně tvrdý jako diamant) a tepelné odolnosti vyhledávanou průmyslovou surovinou. SiC našel využití v chemickém průmyslu, ve formě technické keramiky a žáruvzdorných mate- riálů a používá se také v polovodičích. Vyrábí se Achesonovým postupem, při němž se křemenný písek a koks zahřívají ve válcové peci na teplotu přibližně 2 500 °C. Výslednou karbotermickou redukcí vzniká jako konečný produkt karbid kře- míku. Tento proces není složitý, ale produkuje velké množství CO 2 : na 1 tunu SiC se jen při kar- botermické redukci uvolní přibližně 2,4 tuny to- hoto skleníkového plynu. K tomu je třeba připo- číst obrovskou spotřebu energie 7,15 MWh/t, kte- rá je nutná k několikadennímu provozu pece. Na každou tunu SiC se tak uvolní dalších 1,8 tuny CO 2 . » www.fraunhofer.de HLINÍKO-IONTOVÉ BATERIE SE ZVÝŠENOU KAPACITOU Hliníko-iontové baterie jsou považovány za slib- nou alternativu ke konvenčním bateriím, které využívají vzácné a obtížně recyklovatelné suro-
Nahrazení kyselin oxidem uhličitým Za účelem snížení nákladů a doby výroby ae- rogelů v tomto měřítku se výzkumný tým zaměřil na výrobní proces. Obvykle se aerogely vyrábějí procesem sol-gel, při kterém se přeměna solu na gel dosáhne přídavkem kyseliny. K výrobě 1 kg aerogelu je zapotřebí přibližně 6 kg kyseliny. Gel se nechá zestárnout, projde výměnou rozpouště- del a nakonec se vysuší. „ Důsledně jsme se sna- žili obměnit všechny kroky stávající technologie “, vysvětluje Nils Mölders. „ Zatímco dříve se nadkri- tický oxid uhličitý, který je svými vlastnostmi mezi plynem a kapalinou, používal pouze k sušení, my jej používáme v každém kroku procesu. To znamená, že můžeme zcela vyřadit kyseliny. “ Po- žadavek udržitelnosti splňují i suroviny: Vědci tes- tovali více než 20 různých typů křemičitých solí, které byly snadno dostupné, levné a netoxické, na rozdíl od zavedených variant, které jsou drahé a zdraví škodlivé. Minerální omítka je vysoce účinný izolant V posledním kroku procesu výroby izolačního materiálu pro budovy se aerogel rozbije na zrnka
46
CHEMAGAZÍN • 4 / XXXIII (2023)
Made with FlippingBook - professional solution for displaying marketing and sales documents online