Bez lithia, bez těžkých kovů a bez znečištění – vědci vyvinuli měkkou baterii inspirovanou elektrickým úhořem, která může napájet implantáty, roboty i chytré textilie. Tento biomimetický přístup otevírá cestu k udržitelnějším zdrojům energie, které napodobují řešení evoluce místo průmyslové chemie.
Je to výzva dnešní doby: najít něco, co nemá baterii. Prakticky všechno kolem nás je buď zapojeno do elektrické sítě, nebo má baterii. Nebo obojí zároveň. Problémem není jen to, že baterie obsahují těžké kovy a chemikálie, které mohou být škodlivé, to ne. Skutečnou překážkou je, že jejich recyklace ne vždy funguje. Každý rok skončí na skládkách přibližně 40 000 tun olova z těchto baterií, které se uvolňuje nebo kontaminuje půdu a vodu, pokud se s ním řádně nenakládá.
K tomu se přidává dopad těžby těchto kovů a výroby baterií. Jedna alkalická baterie může znečistit až 167 000 litrů vody, pokud praskne a chemikálie z ní uniknou. Problém navíc narůstá: celosvětová poptávka po bateriích prudce vzrostla s rozšířením mobilních telefonů, notebooků a především elektromobilů. Mezinárodní energetická agentura odhaduje, že poptávka po kritických nerostných surovinách pro baterie (jako je lithium, kobalt a nikl) by se mohla do roku 2040 zvýšit šestkrát až čtyřicetkrát v závislosti na scénářích dekarbonizace. Větší těžba, více odpadu a větší tlak na životní prostředí.
Není proto divu, že „lov a zachycení“ méně znečišťujících nebo (vysněná věda) zcela neznečišťujících alternativ baterií je posláním. Zkoumá se vše od sodíkových a polovodičových baterií až po systémy na bázi papíru, slané vody nebo organických materiálů. V této souvislosti se příroda stala laboratoří nápadů: organismy, které účinně uchovávají a uvolňují energii bez těžkých kovů nebo exotických chemikálií, jsou stále cennějším zdrojem inspirace.
Inspirace v přírodě: Princip elektrického úhoře
Přesně to se podařilo týmu vědců z Pensylvánské státní univerzity: vyvinuli měkkou, flexibilní baterii bez toxických látek, jejíž konstrukce je inspirována biologií elektrických úhořů, ryb schopných generovat výboje o napětí stovek voltů díky specializovaným buňkám zvaným elektrocyty. Princip tohoto průlomového objevu, popsaného v časopise Advance Science, je formou energetické biomimikry: napodobili způsob, jakým těla těchto úhořů přeměňují iontové gradienty (rozdíly v koncentraci náboje) na elektřinu.
Električtí úhoři (ve skutečnosti jihoameričtí noži rodu Electrophorus) mohou vytvářet výboje o napětí až 600-860 V, aby se bránili nebo omráčili svou kořist. Dělají to díky tisícům elektrocytů uspořádaných v sérii jako baterie biologické svítilny. Každý jednotlivý článek vytváří jen malý rozdíl potenciálů, ale když jsou poskládány jeden za druhým, celkové napětí se sčítá. Stejný princip – mnoho malých „článků“ zapojených do série – se používá v komerčních bateriích, ale příroda to dělá se slanou vodou a biologickými membránami, ne s lithiem nebo kobaltem.
„Elektrocyty v elektrických úhořích jsou extrémně tenké články, které jsou schopny generovat více než 600 voltů při krátkém vybití… a produkují velmi vysokou hustotu energie, což znamená, že mohou generovat velké množství energie z malého objemu,“ vysvětluje ve svém prohlášení Joseph Najem, vedoucí studie.
Myšlenka napodobit elektrické úhoře není úplně nová. Již v roce 2017 vytvořil tým z Freiburské univerzity a Michiganské univerzity prototyp měkké „úhoří baterie“ na bázi hydrogelů a solných roztoků, která dokázala generovat přibližně 110 voltů. Tato raná zařízení však měla zásadní problém: jejich vnitřní odpor byl velmi vysoký. To znamená, že ztrácely mnoho energie ve formě tepla a nemohly dodávat užitečnou energii pro reálné aplikace. Byly spíše důkazem konceptu než praktickou alternativou.
Průlomová technologie: Tenké vrstvy a spin coating
Inovací Najemova týmu bylo vytvoření hydrogelových struktur tak tenkých (≈106 mikrometrů, což je jen o málo více než tloušťka lidského vlasu), že výrazně snižují tento vnitřní odpor, což je jedna z hlavních překážek praktického využití takovýchto baterií inspirovaných biotechnologiemi. Použili techniku spin coating, kdy na rotující povrch nanášejí postupně vrstvy různých hydrogelových směsí, což jim umožňuje přesně kontrolovat tloušťku jednotlivých vrstev a reprodukovat architekturu, která napodobuje biologické elektrické buňky.
Spin coating – široce používaný v polovodičovém průmyslu a při výrobě tenkých vrstev – v podstatě spočívá v nanesení kapky kapalného materiálu na substrát a jeho roztočení vysokou rychlostí. Odstředivá síla rozprostře kapalinu do rovnoměrné vrstvy, jejíž výšku lze upravit změnou rychlosti otáčení, viskozity roztoku nebo doby otáčení. Po zopakování tohoto postupu s různými hydrogelovými formulacemi vědci zkonstruují jakýsi „sendvič“ iontových vrstev, z nichž každá má mírně odlišné složení a funguje jako umělý elektrocyt.
Díky tomuto přístupu dosahují tyto nové „hydrogelové elektrocyty“ hustoty výkonu téměř 44 kW/m³, což jsou hodnoty srovnatelné s hustotou skutečných biologických organel, a daleko tak překonávají předchozí podobná zařízení z měkkých materiálů. Pro představu, hustota výkonu udává, kolik energie může baterie dodat na jednotku objemu v daném okamžiku: nejde jen o to, kolik energie uchovává, ale jak rychle ji dokáže uvolnit. V aplikacích, jako jsou kardiostimulátory, implantovatelné senzory nebo malí měkcí roboti, je tato schopnost rychle a kontrolovaně dodávat energii klíčová.
Navíc díky začlenění glycerolu do chemického složení si tyto elektrocyty uchovávají vodu po několik dní v suchém prostředí a vykazují stabilní výkon i při extrémních teplotách (až -80 °C), aniž by bylo nutné je zapouzdřit. Glycerol působí jako „nemrznoucí“ a smáčedlo: zabraňuje vysychání hydrogelu a zamrzání vnitřní vody, čímž udržuje pohyblivost iontů, které nesou elektrický náboj. To je důležité zejména při uvažování o zařízeních, která musí pracovat v měnících se podmínkách prostředí, a to jak v lidském těle, tak mimo něj.
Od kardiostimulátorů po měkké roboty
Charakteristickým rysem této baterie je, že neobsahuje toxické nebo tuhé prvky, jako jsou těžké kovy, které se nacházejí v běžných iontových bateriích, což ji činí potenciálně vhodnou pro aplikace blízké lidskému tělu: od implantovatelných lékařských přístrojů (senzory, kardiostimulátory nebo prvky bioelektroniky) až po měkkou robotiku a flexibilní nositelná zařízení.
Například v medicíně je jednou z velkých výzev bezpečné a udržitelné napájení zařízení, která jsou implantována do těla. Tradiční kardiostimulátory používají uzavřené lithiové baterie, které jsou sice velmi spolehlivé, ale když se vybijí, je nutné je vyměnit chirurgicky. Měkká, biokompatibilní baterie, kterou lze případně dobíjet na místě, by mohla snížit počet zákroků a rizik. Mohla by být také integrována do chytrých kožních náplastí, systémů s řízeným uvolňováním léků nebo protéz s distribuovanými senzory, aniž by se přidávaly pevné komponenty, které by pacienta obtěžovaly.
V oblasti měkké robotiky – robotů vyrobených z pružných materiálů, které napodobují elasticitu živé tkáně – je stejně měkký zdroj energie téměř nezbytnou podmínkou. V současné době se mnoho těchto „měkkých“ robotů stále spoléhá na kabely, které je připojují k externím zdrojům, nebo na konvenční baterie, které přerušují jejich mechanickou kontinuitu. Hydrogelová baterie, kterou lze integrovat do vlastní struktury robota, by umožnila lehčí, autonomní a bezpečnější konstrukce pro interakci s lidmi nebo zvířaty.
„Pro biomedicínské a téměř biologické aplikace musíme zajistit, aby baterie byly kompatibilní s prostředím, flexibilní, bezpečné a v ideálním případě schopné dobíjení pomocí dostupných zdrojů. To nás motivovalo k vývoji těchto robustních zdrojů energie v systému na bázi hydrogelu,“ vysvětluje Najem.
Tento přístup také eliminuje potřebu vnějších mechanických podpůrných struktur, což omezovalo předchozí návrhy, a zachovává stabilní a flexibilní vlastnosti prostředí. To otevírá cestu ke zdrojům energie, které by mohly být integrovány přímo do tkání nebo měkkých zařízení, bez hmotnosti a tuhosti tradičních baterií. V budoucím scénáři by nebylo od věci představit si chytré tkaniny, kde vlastní „kůže“ zařízení uchovává a distribuuje energii bez samostatných bateriových modulů.
Budoucnost a výzvy: Kdy nahradí lithium?
Tento vývoj je však třeba zasadit do kontextu. Ačkoli jsou tyto prototypy stále ve fázi výzkumu, studie poukazuje na to, co je třeba v budoucnu zlepšit: hustotu energie, účinnost nabíjení a prozkoumání možnosti, že by se baterie sama mohla dobíjet v určitých biologických prostředích, jako je slaná voda. Jinými slovy, prozatím hovoříme o velmi slibném systému pro bodové napájení a nízkoenergetické aplikace, který však ještě zdaleka nenahradí lithiové baterie v elektromobilu nebo notebooku.
Energetická hustota – celkové množství energie, které lze uložit na jednotku objemu nebo hmotnosti – je stále mnohem nižší než u komerčních baterií. Zatímco typická lithium-iontová baterie může dosáhnout 200-300 Wh/kg, systémy založené na hydrogelech a iontových gradientech jsou prozatím řádově nižší. Výhoda nespočívá v tom, „kolik“ energie uchovávají, ale v tom, jak ji uchovávají: pomocí měkkých, vodnatých, potenciálně biologicky odbouratelných materiálů a bez kritických kovů.
Další otevřenou oblastí je dobíjení. V přírodě elektrický úhoř „dobíjí“ své elektrocyty prostřednictvím metabolických procesů: iontových pump, které poháněné chemickou energií živin obnovují iontový gradient po každém vybití. Přenesení něčeho podobného do umělého zařízení zahrnuje vývoj mechanismů, které pomocí vnějších zdrojů (světlo, teplo, pohyb, rozdíly ve slanosti) znovu oddělí ionty, aby „pružně nabily“ energii hydrogelu. Autoři naznačují, že v prostředí, jako je slaná voda nebo tělesné tekutiny, by se k usnadnění takového dobíjení mohla využít chemie samotného média.
Tato práce je součástí širšího trendu v oblasti energetické biomimetiky, která se snaží kopírovat strategie živých organismů při výrobě, skladování nebo hospodaření s energií. Existují již příklady solárních článků inspirovaných listy, ventilačních systémů založených na termitištích nebo lepidel napodobujících nohy gekonů. V oblasti baterií se rovněž zkoumají elektrody na biologické bázi, bezpečné vodné elektrolyty nebo zařízení, která se po skončení své životnosti řízeně rozkládají, čímž se snižuje množství trvalého odpadu.
Současně obavy z dopadu konvenčních baterií na životní prostředí vyvolaly přísnější předpisy. Evropská unie například přijala nové nařízení o bateriích, které stanoví minimální cíle pro recyklovaný obsah lithia, kobaltu, niklu a olova a nařizuje lepší sběr a recyklaci přenosných baterií a baterií pro elektrická vozidla. Ale i přes zlepšení recyklačních systémů představuje pokračující závislost na velkých objemech kritických kovů environmentální, geopolitické a ekonomické riziko. Proto je zájem o radikálně odlišné technologie, jako je ta, kterou navrhuje tento tým.
Kdy se něčeho takového dočkáme mimo laboratoř? Je těžké stanovit data. Než se tyto hydrogelové baterie dostanou na trh, budou muset projít několika fázemi: testováním dlouhodobé stability, důkladnými studiemi biokompatibility, rozšířením výroby a v případě lékařských aplikací klinickými zkouškami a schválením regulačními orgány. Nicméně skutečnost, že již bylo dosaženo napětí srovnatelného s napětím elektrického úhoře – v měkkém systému, bez toxických kovů a s dobrou hustotou energie – naznačuje, že biomimetika není jen akademickou kuriozitou, ale skutečnou cestou k přehodnocení způsobu uchovávání energie.
Možná, že za pár let, až se budeme dívat na kardiostimulátor, chytrou náplast nebo malého měkkého robota, nebudeme myslet na lithium nebo kobalt, ale na něco mnohem bližšího živému organismu: vrstvy gelu, slaná voda a gradienty iontů, které pracují v tichosti, jak to dělají električtí úhoři už miliony let.