„Grafenové baterie“ má v dohledné době vyrábět jihokorejský Samsung, který podle úniku informací z minulého roku slibuje baterie, které podle nejmenovaného zdroje „mají mít až o 45 % vyšší kapacitu a navíc se mají dobíjet až pětkrát rychleji“. Když pomineme skutečnost, že podobné úniky jsou dnes poměrně běžnou formou spolupráce mezi médii (především menšími elektronickými médii typu vlivných blogů či influencerů) a firmami, a také to, že z textu není zcela jasné, proti čemu se vlastně „grafenové baterie“ poměřovaly, na pohled jde opravdu o zajímavou informaci. Skutečnost ovšem není tak převratná – alespoň tedy zatím. Do budoucna jsou možnosti nepochybně značné. Velký potenciál Našim čtenářům není třeba běžnou lithiovou baterii dnes používaných typů příliš představovat. Ať již jde třeba o lithium-iontovou (Li-ion), nebo lithium-polymerovou baterii (Li-pol). V tomto případě se zaměříme na obě elektrody. Katodu tvoří oxidy různých kovů (právě zde se používá tak často zmiňovaný kobalt), ke stavbě anody se dnes používá uhlíkatých materiálů, které slouží obrazně řečeno jako „klec“ na lithiové ionty. Průlom v této oblasti nastal díky loňskému spolunositeli Nobelovy ceny za fyziku Akiru Jošinovi. Ten od 80. let experimentoval s různými materiály, k průlomu ovšem dospěl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %). Jošino tak dokázal z baterie zcela odstranit čisté lithium a učinit ji výrazně méně hořlavou. Lithiové baterie tak byly po desetiletích teoretických úvah a pokusů připraveny ke každodennímu využití. Uvedení do praxe se dočkaly v roce 1991 a od té doby jejich význam jen a jen roste. Na uložení jednoho lithiového iontu je ovšem v anodě zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku, takže systém není zcela efektivní. Specifická kapacita materiálu je omezena hodnotou 372 mAhg–1. V případě použití ideálního grafenu s tloušťkou vrstvy jediného atomu je ovšem teoretická kapacita dvakrát vyšší (774 mAhg–1), protože zjednodušeně řečeno v grafenu mohou být ionty lithia na obou stranách grafenu. V případě, že je grafen například dopován jinými materiály nebo je tvar elektrody speciálně navržen s ohledem na zvýšení kapacity, specifická kapacita se v některých případech podle dostupných studií pohybovala až kolem 1 000 mAhg–1. Dodejme pro úplnost, že grafen může přispět i k vylepšení parametrů druhé elektrody, tedy katody. Jak se ukazuje, grafen může posloužit k vylepšení strukturálních parametrů katody; v podstatě funguje jako lešení, na které mohou být umístěny aktivní materiály elektrody, konkrétně můžeme zmínit například LiFePO4 používaný v Li-pol bateriích. Vznikne tak hybridní materiál, který má vyšší elektrickou vodivost než LiFePO4 a také vyšší vodivost tepelnou. Což v důsledku vede ke zvýšení životnosti baterií. Aktivní materiál může být také v grafenu lépe „rozesazen“, což umožňuje lepší využití jeho schopnosti vázat náboj v baterii, a to podle některých laboratorních měření na malých vzorcích až na dvojnásobek hodnot komerčně dostupného LiFePO4. Bohužel, tyto výsledky zatím nejsou tím, co nám výrobci baterií v dohledné době nabídnou. Bída grafenu Není to pouze jejich chyba. Pokud vývoj v této oblasti v něčem nejde tak rychle, jak bychom si asi představovali, je to ve vývoji technologie na výrobu grafenu. Dnes je to stále velmi exotický materiál a cena kvalitních (tedy především slabých) grafenových šupinek se pohybuje řádově ve stovkách či tisícovkách dolarů za kilogram a je dostupný pouze v relativně malých množstvích. Objevitelé z univerzity v Manchesteru látku připravili tak, že odloupli pomocí lepicí pásky z uhlíkového krystalu nepatrnou šupinku. Pásku pak rozpustili v ředidle, které uhlík nepoškodilo. Od té doby se samozřejmě pracuje na jiných výrobních metodách. V laboratoři to není nic nemožného. V malém měřítku je například poměrně jednoduché využít procesu plynné depozice na vrstvu mědi ve vakuu zahřátou na 1 000 °C. Destička se poté ofukuje směsí metanu a vodíku. Metan se na povrchu mědi rozložil na vodík a uhlík. Druhý prvek při tom na ní vytvořil velmi slabou vrstvu, silnou jeden nebo jen několik málo atomů, tedy grafen. Škálování produkce do větších rozměrů je ovšem výrazně významnější problém. Postup plynné depozice využili v roce 2010 jihokorejští vědci spolupracující se společností Samsung k vytvoření rekordně velkého grafenového plátku s rozměrem řádově v desítkách centimetrů. Očekávali tehdy, že se grafen dostane do výroby během příštích pěti let. Roky uplynuly, grafen o podobných rozměrech ovšem na trhu rozhodně není. Firmy jako Huawei či Samsung nepochybně řadu zajímavých poznatků a výsledků drží pod pokličkou, v tuto chvíli ovšem vědecká veřejnost podle dostupných publikací považuje otázku technologie výroby za otevřenou. Pracuje se na dvou hlavních přístupech k výrobě grafenu. Prvním je metoda „bottom-up“, tedy postupné „budování“ uhlíkové vrstvy, obvykle samozřejmě na vhodném podloží. Patří sem právě zmíněné postupy depozice par, pyrolytické reakce nebo „pěstování“ grafenu v krystalických materiálech. Druhou větví jsou pak procesy probíhající „shora“, při kterých se vrstvy grafenu různými způsoby (chemicky, mechanicky) oddělují od grafitu nebo oxidu grafitu. Samozřejmě, nejslibnější by byly metody nevyžadující ani vysoké teploty, ani vakuum, například nějaký způsob tisku roll-to-roll. Dnes ovšem žádné takové stále k dispozici nejsou, a od toho se odvíjí vysoká cena materiálu. Méně kvalitní „grafen“, tedy obvykle materiál se šupinkami s vrstvami výrazně silnějšími než v řádu jednotek atomů, na trhu k dispozici je. A právě ten se pomalu začíná objevovat v bateriích. Jeho vlastnosti nejsou zdaleka takové jako u tenkého grafenu, ale to neznamená, že by pro baterie byl nevhodný. Stále má dobrou elektrickou i tepelnou vodivost, což jsou vlastnosti zcela žádoucí, které mohou přispět ke zvýšení životnosti i jejich dalších vlastnosti (třeba zrychlení nabíjení). Zatím jde ovšem podle znalců oboru spíše o malou, drobnou evoluci. Velký grafenový skok vpřed bude muset počkat do chvíle, kdy bude k dispozici na trhu dostatek kvalitního materiálu, včetně metod na ověřování jeho vlastností. Zatím se spíše rýsuje možnost, že jiné formy uhlíku (například nanotrubičky) poslouží v řadě případů velmi podobně za výrazně nižších nákladů. Sci-fi na konec Pokud ovšem levný grafen někdy přijde, mohla by to být opravdu výrazná změna. Grafen kromě výhod v bateriích nabízí nejen lepší výkony, o kterých jsme se již zmínili, ale také například možnost vytváření ohebných elektrod. Vzniknout by tak mohla zcela nová třída zařízení na ukládání energie vhodná například k integraci do oblečení či jiných textilií. Dodejme, že zatím to platí pouze v principu, laboratorní „ohebné“ elektrody z grafenu dosud příliš ohebné nejsou. Jeho vlastnosti grafen také předurčují k výrobě nové generace kondenzátorů (které se označují často jako „superkondenzátory“). V nich se elektrická energie ukládá pomocí elektrické dvojvrstvy, ovšem grafen má proti deskovým kondenzátorům, které možná známe ještě z výuky, dvě zásadní výhody. Má velký specifický povrch (2 600 m2g–1) a umožňuje přiblížit obě desky kondenzátoru k sobě teoreticky až na vzdálenosti atomární (v angstromech čili 10–10 m). Obě vlastnosti výrazně zvyšují kapacitu kondenzátorů vytvořených z tohoto materiálu, která by mohla řádově zvýšit výkony podobných zařízení. Baterie jistě nenahradí. Superkondenzátory ovšem mohou sloužit jako vhodný doplněk například k bateriím u automobilu, ať již při rekuperaci energie, nebo v případech, kdy je zapotřebí rychle dodat velký výkon. Stejně jako v jiných případech, grafen je pro takové použití zatím příliš drahý. Výzkum 2D materiálů se tak v posledních letech začíná ubírat i jiným směrem. Výsledky poměrně přesvědčivě naznačují, že čistý grafen v praxi mohou nahradit mnohem spíše jiné 2D materiály, například sulfid molybdeničitý (MoS2). Ukázalo se, že původně svými vlastnostmi v podstatě osamocený grafen je jen jedním z celé třídy podobně zajímavých látek, které v mnoha případech mají vhodnější vlastnosti pro to či ono využití. Vědecký zájem o tento objev se tedy do jisté míry tříští, ale zároveň nepochybně stále sílí. V tuto chvíli se tedy jeví velmi pravděpodobným, že grafen bude průkopnickým materiálem, ale ne tím nejdůležitějším.
