Čistá energie, globální oteplování, snižování emisí – termíny často skloňované v nejrůznějších významech a souvislostech. Ať už jsou tyto souvislosti vnímané pozitivně či negativně, jedno je jisté: zdroje energie alternativní ke spalování fosilních paliv se postupně začínají prosazovat a to v nejrůznějších oblastech života společnosti. Jednou z těchto oblastí je vývoj hybridních a plně elektrických dopravních prostředků či vývoj účinných solárních článků. A právě tento vývoj zvyšuje významně poptávku po zařízeních pro efektivní ukládání elektrické energie. Bohužel množství elektrické energie, které může být v současné době uloženo v bateriích nebo superkondenzátorech, je stále nedostatečné. A tak dojezd plně elektrických vozidel je stále podstatně kratší, než je dojezd standardních vozidel se spalovacím motorem. Výdrž baterie v mobilním telefonu či notebooku je vždy kratší, než je v daný okamžik potřebné a cena akumulátorů pro zásobování elektrickou energií celé domácnosti je stále velmi vysoká. To jsou některé z důvodů, proč se značné výzkumné úsilí věnuje vývoji materiálů nové generace, které by podstatně zvýšily účinnost, kapacitu a dlouhodobou odolnost a živostnost pokročilých baterií a superkondenzátorů.
V této souvislosti se vědecký zájem soustřeďuje na hledání, syntézu, testování a optimalizaci nových anorganických či hybridních anorganicko-organických funkčních materiálů. Mezi těmito materiály vykazují velký aplikační potenciál metal-organické mřížkové systémy, které byly prvně syntetizovány zhruba před dvaceti lety. Anorganické stavební bloky těchto metal-organických mřížek (MOF) totiž mohou sloužit jako redox-aktivní místa, na kterých mohou probíhat klíčové elektrochemické procesy. Tento fakt společně s dobře definovanou porézní architekturou, která dovoluje snadné a potenciálně reverzibilní ukládání a uvolňování Li+ iontů, tak předurčuje metal-organické mřížkové systémy stát se ideálními materiály vhodnými pro konstrukci lithiových baterií (LiB).
Materiály vhodné pro energetické aplikace však musí splňovat řadu požadavků. Tak například pro anody konverzního typu (conversion-type anodes) má zásadní význam reverzibilita elektrochemických reakcí přeměn a schopnost regenerace původní struktury metal-organické mřížky během elektrochemického cyklu. Pro naplnění tohoto cíle je klíčový výběr anorganického ligandu, který je rozhodující pro to, aby materiál odolal ireverzibilní transformaci během elektrochemických reakcí a zabránil tak vzniku stabilních či pouze částečně reverzibilních oxidů kovů. Pro MOF anody inzertního typu (insertion-type anodes) je pak klíčová schopnost materiálů ukládat a skladovat lithium. Toho je možno dosáhnout přítomností kovových iontů s proměnlivou valenčností anebo přítomností vhodných organických ligandů bohatých na funkční skupiny, které snadno interagují s Li+ ionty. Zastřešujícím požadavkem pro optimální funkci obou typů anod je pak existence robustní mřížky s otevřenými kanály, které usnadní a podpoří rychlý transport Li+ iontů, aniž by došlo k poškození struktury MOF matrice.
Není proto překvapením, že vzhledem k jedinečné struktuře pórů a kanálů, která je zásadní pro schopnost rozsáhlého skladování lithia a rychlý transport Li+ iontů, mohou být MOF systémy použity také jako pozitivní elektrody, anebo i jako tuhé elektrolyty (MOF-177). Vývoj těchto all-solid elektrolytů je motivován snahou o co největší bezpečnost Li-iontových baterií, kdy bude zcela eliminována možnost úniku elektrolytu či jeho vznícení. V tomto ohledu již byly syntetizovány hybridní i celokompozitní polymerní elektrolyty na bázi MOF, kdy polymerní matrice je například modifikována (dopována) mikro- a nano-krystality metal-organických mřížek. Příkladem může být materiál na bázi poly(ethylen oxidu) (PEO), který byl modifikován přídavkem metal-organické mřížky MIL-53(Al) a nadopován lithiovou solí LiTFSI. U takto vytvořeného materiálu bylo prokázáno zvýšení iontové vodivost a to o více jak dva řády v porovnání s čistým polyelektrolytem. Tato relativně vysoká vodivost byla sledována i při nízké pracovní teplotě, přičemž systémy vykazovaly vždy vynikající dlouhodobou stabilitu.
Přes tyto nadějné výsledky pro skutečnou a širokou aplikaci MOF materiálů v LiB systémech je nutno překonat řadu překážek a odstranit řadu obtíží. MOF anody stále vykazují nedostatečnou elektrickou vodivost. Dalším velkým problémem je částečná nevratnost elektrochemických reakcí probíhajících na elektrodách, ztráta kapacity a v konečném důsledku i relativně krátký životní cyklus. Také gravimetrická a volumetrická skladovací kapacita lithia dnes dostupných MOF katod je omezená. Tyto nedostatky spolu s rostoucí poptávkou po dokonalých zařízeních pro skladování elektrické energie tak dále stimulují intenzivní výzkum, rozvoj inovativní elektrochemie a hledání nových konceptů formulace pokročilých materiálů.
Metal-organické mřížky díky své obrovské strukturní variabilitě a komplexnosti však představují třídu materiálů, které nabízejí jak potřebné fyzikálně-chemické vlastnosti, tak i možnosti tyto vlastností dále modifikovat, optimalizovat a kontrolovat směrem k lepšímu výkonu v Li-iontových bateriích. Tímto směrem se ubírá i náš aktuální výzkum (GA18-12925S).
Autor: Jiří Brus