Slovensko
Médiá

Priekopnícky mysliteľ – vtedy a dnes: Elektrina z chémie

9687005
Taliansky vedec Alessandro Volta (1745–1827) je vynálezca batérie, podľa ktorého je zároveň pomenovaná jednotka elektrického napätia – volt.

Priekopnícky mysliteľ – vtedy

Alessandro Volta: Tento taliansky fyzik popísal v roku 1800 Kráľovskej spoločnosti v Londýne tzv. Voltov článok – prvú funkčnú batériu v dejinách.

Michael M Thackeray
Michael Thackeray, PhD, je významným členom Sekcie akumulácie elektrochemickej energie v Národnom laboratóriu Argonne v americkom štáte Illinois.

Priekopnícky mysliteľ – dnes

Michael Thackeray: Chemik juhoafrického pôvodu je popredným vedcom v oblasti vývoja lítiových batérií – ktoré sú hlavnou technológiou pri využívaní čistej energie.

Koncom 18. storočia bola v Európe výroba energie záhadou, ba dokonca sa považovala za magickú. Púťoví zabávači vytvárali fascinujúce predstavenia s jednoduchými elektrostatickými generátormi. Až Alessandrovi Voltovi sa však podarilo dosiahnuť prielom, ktorý ohlásil začiatok veku elektriny. Tento taliansky vedec a vynálezca vyvinul prvý prístroj, ktorý umožnil prúdenie elektrickej energie na dlhší čas.

Volta už od útleho veku vedel, čo chce. Ako tínedžer si sám osvojil základy elektriny. Vo veku 18 rokov sa rozhodol študovať experimentálnu vedu, a to aj napriek želaniu svojho strýka a opatrovníka. Bolo to správne rozhodnutie. Neskôr bol autorom revolučnej práce, najmä v oblasti elektrotechniky. Volta vyvinul použiteľný elektrofor, jednoduché zariadenie na generovanie elektrostatického náboja zo statickej elektriny. Ako učiteľ fyziky na miestnej strednej škole v talianskom meste Como v roku 1776 objavil horľavý plyn metán a použil ho na zostrojenie zariadenia známeho ako Voltova pištoľ. Pištoľ vytvára elektrickú iskru, ktorá spôsobuje spaľovanie metánu – a predchodca dnešného plynového zapaľovača bol na svete. Dva roky nato sa Volta stal profesorom experimentálnej fyziky na Pavijskej univerzite.

Práve tu dosiahla jeho kariéra v roku 1787 svoj vrchol. Alessandro Volta spojil rôzne kovy a uvedomil si, že keď prídu navzájom do kontaktu, v kovoch vznikne v rôznej miere náboj – a to vytvára elektrický potenciál. Tieto poznatky uviedol do praxe v podobe Voltovho článku (pozri rámček).

Voltov vynález bol prvým praktickým a použiteľným zdrojom elektrického prúdu. Je na ňom založený celý náš elektrifikovaný svet – od žiaroviek cez generátory elektrickej energie až po elektromotory. Jeho práca vytvorila základy pre novú hromadne vyrábanú batériu v roku 1802. Alessandro Volta sa stal slávnym: britská Kráľovská spoločnosť so sídlom v Londýne mu udelila Copleyovu medailu, ktorá bola v tých časoch najvyššou vedeckou poctou. Talianskeho vedca obdivoval aj Napoleon a vymenoval ho za senátora a neskôr ho ustanovil za grófa. Volta sa však nedožil svojej najvyššej pocty: v roku 1881 – 54 rokov po jeho smrti – bola na prvej Medzinárodnej výstave elektriny v Paríži pomenovaná podľa neho jednotka elektrického potenciálu: volt.

Michael Thackeray, PhD, vyrastal v juhoafrickej Pretórii a už od útleho veku sa zaujímal o vedu. Do chémie sa prvýkrát zbláznil v druhom ročníku štúdia na Univerzite v Kapskom meste, keď objavil krásu kryštálov. „Rozsvietilo sa svetlo,“ hovorí Thackeray. „Spomínam si, ako som vtedy povedal: Vidím sa, že v tejto oblasti pracujem.“

Po ukončení magisterského štúdia chémie v roku 1973 mu myšlienka na kariéru v oblasti „chaotických batérií“ nemohla byť vzdialenejšia. Keď však vstúpil do Rady pre vedecký a priemyselný výskum (CSIR) v Pretórii, vypukla ropná kríza na Blízkom východe, ktorá rozpútala celosvetový boj o vývoj dobíjacích batérií. Johan Coetzer, Thackerayho mentor v CSIR, začal skúmať kryštalické tuhé elektrolyty na báze iónov striebra, a umožnil tak Thackeraymu po prvý raz nahliadnuť do vzťahov medzi kryštálovými štruktúrami a elektrickou energiou. Spoločne pracovali na vytvorení nových vysokoteplotných technológií sodíkových a lítiových batérií.

Thackerayho zaujali možnosti, ktoré poskytovalo lítium a ktoré uplatnil pri práci s profesorom Johnom Goodenoughom, svetovou kapacitou v oblasti oxidov kovov, na Oxfordskej univerzite v Anglicku. V roku 1981 sa s rodinou presťahoval do Oxfordu a začal skúmať správanie spinelových elektród pri izbovej teplote (pozri rámček). Jeho výskum reakcií pri vkladaní lítia viedol k použitiu širokej palety elektródových materiálov zo spinelu v lítiovo-iónových batériách – čo je dnes prevládajúca technológia dobíjania v elektronických zariadeniach a elektrických automobiloch.

Od roku je 1994 Thackeray vedúcim tímu v neziskovom Národnom laboratóriu Argonne v Spojených štátoch amerických. Spoločne vyvinuli materiály pre lítiovo-polymérovú batériu v pevnej fáze na uskladnenie stacionárnej energie a navrhli kompozitné štruktúry elektród, ktoré zlepšujú výkon a bezpečnosť lítiovo-iónových batérií.

Thackeray má dnes 67 rokov a stále pracuje na vývoji kompozitných elektród vkladaním spinelovej zložky do ich štruktúry. „Tento prístup vyzerá naozaj sľubne,“ hovorí. „Snažíme sa tiež využiť energiu z kyslíka v štruktúrach oxidov kovov – čo je už trochu náročnejšia úloha.“

Voltov článok

Alessandro Volta objavil, že kovy sú zdrojom elektrickej energie. Tento objav mu umožnil vyvinúť Voltov článok, ktorý bol vyrobený zo zinkových a medených diskov vrstvených na seba a oddelených lepenkou namočenou v slanom náleve. Tento „galvanický článok“ vytvára elektrické napätie vďaka tomu, že zinkové disky uvoľňujú elektróny, čím vzniká prebytok elektrónov, teda záporný náboj.

Meď na druhej strane pohlcuje elektróny zinku, čím vzniká nedostatok elektrónov, čiže kladný náboj. Keď sa kladný a záporný pól (oba konce Voltovho článku) spoja, začne prúdiť elektrický prúd. Ešte aj dnes funguje na tomto princípe veľa batérií, ako napríklad malé batérie v načúvacích prístrojoch.

Čo sú spinely

Spinely sú kryštály s kubickou sústavou, cez ktorú sa môžu pohybovať ióny lítia v troch rozmeroch. Štruktúra tejto sústavy značne urýchľuje proces nabíjania a vybíjania batérie, pretože ióny prechádzajú medzi oboma elektródami tam a späť.

Michael Thackeray, PhD, na Oxfordskej univerzite objavil, že lítium je možné vložiť pri izbovej teplote do spinelov oxidu železa a oxidu mangánu – čo bol objav, ktorý viedol k vzniku lacných a bezpečnejších elektród.

Súvisiaci obsah

Priekopnícky mysliteľ – vtedy a dnes: Katalýza

Composite of Carl Bosch and Prof. Erl

Priekopnícky mysliteľ – vtedy a dnes: Syntéza amoniaku

Priekopnícky mysliteľ – vtedy a dnes: Metylénová modrá