Energetické a kompozitní materiály

Návrh zařízení pro ukládání energie na Univerzitě Tomáše Bati (UTB) ve Zlíně je realizován v rámci center Univerzitního institutu Centrum transferu technologií a Centrum polymerních systémů. UTB aktivně vyvíjí zařízení pro ukládání energie ve dvou hlavních směrech: superkondenzátory a baterie na bázi lithia. Zkoumáme však i další vědecké otázky související s přípravou magnetických nanočástic a návrhem matric pro pokročilé biokompozitní systémy, jako jsou přírodní biokompatibilní a biodegradabilní polymery. Nakonec uvažujeme o přechodu na čistou energii, který jde daleko za technologická řešení a do výzkumu zahrnuje posouzení životního cyklu a další socioekonomické aspekty.

Pokročilé technologie baterií a superkondenzátorů

Budoucnost akumulace energie představuje technologie baterií a superkondenzátorů. Celosvětově je vyvíjeno mnoho úsilí k dosažení přechodu k dekarbonizaci a elektrifikaci. Naše výzkumná skupina na UTB se zabývá vývojem odlišných směrů, které se vypořádávají s pokročilými technologiemi souvisejícími s elektrochemickým skladováním energie:

• vývoj nové generace dobíjecích baterií s vylepšenými elektrochemickými vlastnostmi a novými chemickými vlastnostmi, jako jsou all-solid state  baterie nebo hybridní technologie;
• pokročilé symetrické a asymetrické superkondenzátory nebo hybridní struktury založené na 2D a 3D nanostruktuře, které zvyšují hustotu energie a stabilizují přenos náboje
• optimalizace a inženýrství výrobních technologií pro vývoj pružných struktur v organických a vodných elektrolytech.

Magnetická hypertermie a polymerní memristory 

Výzkum v této oblasti je zaměřen na přípravu materiálů pro různé aplikace vodivých i dielektrických a magnetických materiálů od elektromagnetického stínění, selektivně odrazivých povrchů a selektivně propustných deskových materiálů, až po materiály zamýšlené pro hypertermickou léčbu rakoviny, které byly již patentovány.

Materiálový design je orientován převážně na přípravu magnetických nanočástic, eventuálně i na aplikaci nebo modifikaci magnetických a jiných plniv (částic i  krátkých vláken) z komerčních zdrojů do kompozitních materiálů s polymerní matricí. V oblasti syntézy dále skupina úspěšně pracuje s polyanilinem a obdobnými vodivými polymery. Kombinací magnetického anorganického jádra a elektricky vodivé polymerní slupky vznikají core-shell částice s významně zlepšenými vlastnostmi. Schopnosti přeměňovat absorbovanou energii střídavého magnetického pole na teplo se využívá tam, kde je požadován zdroj tepla v objemu, v nejnáročnější aplikaci se jedná o hypertermii. Z uvedených materiálů jsou dále připravovány vodivé kompozity pro elektromagnetické stínění. Selektivní odrazivost se pak dosahuje přípravou tzv. metamateriálů, kde k funkci kromě materiálové kompozice přispívá také geometrie jednotlivých složek kompozitu. Ploché struktury s materiálovým vzorováním jsou připravovány metodami materiálového tisku

Energetické a zdravotnické kompozitní systémy

Předmětem výzkumného zájmu této výzkumné skupiny je jednak studium a příprava matric pro pokročilé biokompozitní systémy a také aktivních/funkčních složek, které do těchto matric mohou být inkorporovány. Jako matrice slouží zejména polymerní gely ze syntetických i přírodních biokompatibilních a biodegradabilních polymerů. Speciálním případem je využití bakteriální celulózy z vlastní produkce v bioreaktorech. Tyto gely slouží např. ke krytí ran v medicíně, hledají uplatnění v procesech pervaporace a jsou aplikovány (ve spolupráci se skupinou Kompozity s elektrickými a magnetickými vlastnostmi) jako elektrolyt v superkondenzátorech. Mineralizované gely slouží jako templáty v chirurgii kostních náhrad. Plnivo založené na uhličitanech je připravováno přímo ve struktuře gelové matrice metodou biomimetické mineralizace. Jako funkční agens se využívají syntetické polypeptoidy a peptoidové nanodestičky, které mají významnou biologickou aktivitu.

Socioekonomické aspekty energetiky

Současný přechod na čistou energii tvoří základ pokračující transformace globálního energetického sektoru z fosilních zdrojů na obnovitelné zdroje energie. V této souvislosti vyvstává mnoho vědeckých otázek, včetně typů a forem účasti zúčastněných stran, otázek vlastnictví, finančních důsledků a dalších socioekonomických aspektů. Požadavky na budoucí energetické systémy je třeba prozkoumat v kontextu klíčových trendů, jako je dekarbonizace, decentralizace a digitalizace. Kromě toho je stále důležitější pružně reagovat na inovace v sektoru obnovitelných zdrojů energie, kolísání cen energií a následně zvažovat hodnocení environmentálních, ekonomických a sociálních dopadů energetických materiálů, technologií a zařízení.

 Spolupracující instituce

• Clemson Univesity, Clemson, South Carolina, USA
• East China University of Science and Technology, Shanghai, China
• Ústav polymérov, SAV, Bratislava, Slovensko
• Sabanci University, Istanbul, Turkey
• Ústav makromolekulární chemie, AV ČR, Praha
• Riga Technical University, Riga, Latvia
• Marmara University, Istanbul, Turkey
• Technion, Israel Institute of Technology, Haifa, Israel
• Univerzita Pavla Josefa Šafaříka (UPJS) v Košicích, Slovensko
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Německo
• Ústav experimentálnej fyziky, SAV, Bratislava, Slovensko
• Institute of Nuclear Sciences “VINCA” , Srbsko
• Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), acting for IPCMS and France - Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), Francie

HORIZON Europe (SMHYLES) - Safe, sustainable and Modular HYbrid systems for Long-duration Energy storage and grid Services, 2024-2027

The NATO Science for Peace and Security Programme (SPS) - Smart Portable Nanosensors for on-site Biomedical and Environmental Analysis (TERRITORY)

LUAUS24032 - Polymerní neuronové synapse, 2024-2027

GA24-10384S - Polymerní memristory s neurosynaptickými vlastnostmi 2024-2026

IGA/CPS/2024/005 - Vyhodnocování a přeměna bioodpadu na čistou energii a materiál pro zdravotnictví a skladování energie, 2024

8X23034 - Magnetické nanostruktury schopné samozahřívání pro teranostické aplikace -2023-2025

SOLiD ID (101069505) - Sustainable manufacturing and optimized materials and interfaces for lithium metal batteries with digital quality control

TwinVECTOR (ID 101078935) - Twinning FOR DEVELOPMENT OF WORLD-CLASS NEXT GENERATION BATTERIES

Horizon 2020 StoRIES (Storage Research Infrastructure Eco-System) https://www.storiesproject.eu/

H2020-LC-GD-2020 (101036910)  Building a low-carbon, climate resilient future: Research and innovation in support of the European Green Deal, 2021-2025

Visegrad Grant No. 22310096 Biodegradable metal development and surface functionalization V4 network, 2023-2024

TK05020019 Projekt Théta 5 - "Vývoj LiFePO4 dobíjecích baterií pro stacionární aplikace" (spolupráce s EnergyCloud a.s.) - 2023-2025

TK03030157 - "Další generace all-solid-state Li-ion baterií", 2020-2025

FW01010327 - "Pokročilé polymerní a kompozitní materiály pro aditivní výrobu" (spolupráce se SPA 2000 s.r.o. a SYNPO a.s.), 2020-2024

TH71020005 - "Bioaktivní vstřikovatelné hydrogely pro regeneraci měkkých tkání po rekonstrukčních maxilofaciálních operacích" (spolupráce s Riga Technical University, Marmara University a Technion-Israel Institute of Technology), 2020-2024

Ukončené projekty

CZ.01.1.02/0.0/0.0/20_321/0024533 - Designové zalévané LED svítidlo s homogenní vyzařující plochou (2021-2023)

TH71020006 - "Hybridní zařízení na bázi Li-ion baterie a superkapacitoru" (spolupráce se Slovenskou akademií věd a Sabanci University), 2020-2023

LTAUSA19066 - "Studium polymerních memristorů založených na metakrylátových polymerech s karbazolovými bočními skupinami" (spolupráce s Akademií věd ČR), 2020-2022

LTT20005 - "Spolupráce s asociací EASE na vývoji hybridního superkapacitoru", 2020-2022

8X20041 - "Návrh a příprava multifunkčních magnetických nanočástic pro detekci rakovinných buněk", 2020-2021

TP01010006 - "Komercializace na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně II", 2020-2022

• podprojekt "Obnovitelná textilie na bázi biopolymeru pro svrškovou část obuvi" (spolupráce s UNI UTB), 2020-2021

CA15216 - "Biosynthesis of Bacterial Cellulose using Inexpensive Nutrient Medium And their Characterizations", 2016-2021

CA18236 - "Entrepreneurial Universities emerging perspectives enrich regional social innovation ecosystems" (spolupráce s UNI UTB), 2019-2023

LH14273 - "Konstrukce a elektrochemické vlastnosti superkondenzátorů pro vysoce efektivní ukládání energie", 2014-2016

LTACH17015 - "Příprava a elektrochemické vlastnosti hierarchických struktur flexibilních elektrod na bázi polyanilin/bimetalové oxidy", 2017-2019

FOSTECT_S1_M2_EN - "Developing of counter electrode based on carbon materials applied for Dye-Sensitized Solar Cells", 2019-2020