Článek
Všichni to známe. Život na baterie. Naše telefony, notebooky, chytré hodinky… a stále více i naše auta. Závislost na přenosné energii roste, a s ní i naše frustrace, když se indikátor baterie přiblíží k nule. Ať už jde o dojezd elektromobilu, který nám nedovolí bezstarostnou cestu, nebo o telefon, který nevydrží celý den intenzivního používání, všichni si přejeme jedno: lepší baterie.
Současným králem na trhu s dobíjecími bateriemi jsou lithium-iontové baterie. Jsou relativně lehké, mají dobrou energetickou hustotu a vydrží stovky až tisíce nabíjecích cyklů. Mají ale své limity. Jejich energetická hustota už narazila na jakýsi strop a i přes neustálé vylepšování nejsme schopni z nich dostat výrazně víc energie pro danou hmotnost či objem. Navíc, při poškození nebo přehřátí mohou představovat bezpečnostní riziko.
Vědci a inženýři po celém světě proto usilovně hledají nástupce lithium-iontových baterií. Jedním z nejslibnějších kandidátů jsou lithium-kovové baterie. Ty namísto grafitové anody používají čistý kovový lithium. Teoreticky to zní skvěle – kovový lithium má mnohem vyšší kapacitu pro ukládání energie než grafit. To by znamenalo baterie s výrazně vyšší energetickou hustotou – elektromobily s delším dojezdem, telefony, které vydrží nabité i týden, lehčí elektronika. Potenciál je obrovský.
Strašák jménem dendrity: Proč lithium-kovové baterie zatím nemáme všude
Proč tedy už lithiové kovové baterie nemáme ve všech našich zařízeních? Mají totiž jednoho velkého a nebezpečného nepřítele: dendrity.
Při nabíjení a vybíjení lithium-kovové baterie se na povrchu lithiové anody začnou tvořit mikroskopické, jehlicovité nebo větvičkovité struktury – právě ty dendrity. Představte si je jako malé kovové výrůstky, které postupně prorůstají elektrolytem směrem ke katodě. Tyto dendrity způsobují několik vážných problémů:
- Zkraty a bezpečnost: Jakmile dendrit proroste celou cestu ke katodě, vytvoří zkrat uvnitř baterie. To může vést k rychlému přehřátí, požáru nebo dokonce explozi. To je hlavní důvod, proč jsou klasické lithium-kovové baterie považovány za nebezpečné.
- Degradace a krátká životnost: Růst dendritů narušuje strukturu anody a elektrolytu, což vede k rychlé ztrátě kapacity a celkovému selhání baterie po relativně malém počtu nabíjecích cyklů. Množství využitelného lithia se navíc snižuje, protože část se ukládá do formy dendritů ("mrtvé lithium"), které se již nepodílejí na přenosu náboje.
- Omezení nabíjení: Růst dendritů je mnohem horší při rychlém nabíjení (při vyšších proudových hustotách). To znamená, že lithiové kovové baterie bylo dosud možné nabíjet jen velmi pomalu, aby se alespoň částečně omezil vznik dendritů.
Tyto problémy s dendrity byly po desetiletí hlavní překážkou pro komercializaci lithium-kovových baterií s vysokou energetickou hustotou a dlouhou životností.
Průlom z laboratoří Harvardu: Vícevrstvý elektrolyt jako řešení
Ale teď přichází objev, který by mohl být tou „game-changer“ – zásadní změnou pravidel hry. Tým vědců z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), vedený profesorem Xin Li, přišel s novým designem lithium-kovové baterie, který si s problémem dendritů dokáže účinně poradit.
Jejich řešení spočívá v chytrém inženýrství samotného elektrolytu – média, kterým putují lithiové ionty mezi anodou a katodou. Namísto běžného tekutého nebo jednoduchého pevného elektrolytu navrhli a vytvořili vícevrstvý, multi-koloidní elektrolyt. Představte si ho jako vrstvenou strukturu, tak trochu jako sendvič nebo spíše jako „klubový sendvič“, kde střídáte vrstvy s různými vlastnostmi.
Tento speciální elektrolyt je složen ze střídajících se vrstev dvou různých typů mikroskopických částic (koloidů), suspendovaných v kapalném médiu. Klíčem je, že tyto vrstvy mají různou mechanickou stabilitu nebo různou odolnost vůči prorůstání dendritů.
A teď to hlavní: Jakmile se lithiové ionty začnou při nabíjení ukládat na anodu, jejich tendence tvořit dendrity je usměrněna touto vrstvenou strukturou elektrolytu. Místo toho, aby dendrity náhodně prorůstaly jakýmkoli směrem, jsou vedeny nebo omezeny stabilnějšími vrstvami elektrolytu. Struktura elektrolytu tak účinně řídí růst lithiových usazenin, zajišťuje jejich rovnoměrnější a bezpečnější ukládání a zabraňuje chaotickému prorůstání, které vede ke zkratům.
Tento chytrý design elektrolytu v podstatě vytváří jakési „dopravní pruhy“ pro pohyb lithiových iontů a růst lithiové vrstvy, čímž se eliminuje tvorba nebezpečných dendritů.
Výsledky, které berou dech: 10 000 cyklů při rychlém nabíjení!
Testy této nové bateriové architektury přinesly naprosto fenomenální výsledky. Vědci byli schopni baterii s tímto vícevrstvým elektrolytem nabíjet a vybíjet při velmi vysoké proudové hustotě (až 20 mA/cm²), což je úroveň potřebná pro rychlé nabíjení.
A teď se podržte: Baterie si udržela svou kapacitu po neuvěřitelných 10 000 nabíjecích a vybíjecích cyklech při této vysoké rychlosti nabíjení!
Pro srovnání, typická lithium-iontová baterie v chytrém telefonu nebo notebooku vydrží obvykle 500 až 1000 cyklů, než její kapacita výrazně klesne. Automobilové lithium-iontové baterie jsou navrženy na více cyklů (často se uvádí 1500-2000+ pro udržení vysoké kapacity, celková životnost může být i přes 3000 cyklů), ale 10 000 cyklů při rychlém nabíjení je stále mnohonásobně více – v průměru to představuje více než 19násobné prodloužení životnosti oproti běžným bateriím!
Navíc design účinně zabránil tvorbě nebezpečných dendritů a hromadění „mrtvého“ lithia, což jsou hlavní příčiny selhání předchozích pokusů o lithium-kovové baterie s dlouhou životností.
Co to znamená pro naši budoucnost?
Pokud se tento průlom podaří komercializovat a zavést do praxe, důsledky by mohly být obrovské:
- Elektromobily s dojezdem stovek tisíc kilometrů: Baterie v elektromobilu by mohla vydržet po celou dobu životnosti vozu, aniž by bylo nutné ji měnit. V kombinaci s vyšší energetickou hustotou (delším dojezdem na jedno nabití) by to mohlo zásadně změnit trh s auty.
- Elektronika, která vydrží déle: Telefony, které nebudete muset po dvou letech měnit kvůli slabé baterii, notebooky, které vydrží celý pracovní den i déle po mnoho let.
- Rychlejší nabíjení: Schopnost zvládat vysoké proudové hustoty znamená, že tyto baterie by mohly být nabíjeny mnohem rychleji než ty současné, což dále zlepšuje použitelnost, zejména u elektromobilů.
- Vyšší bezpečnost: Design je koncipován jako krok směrem k celo-solid-state baterii (s pevným elektrolytem), což by výrazně snížilo riziko požáru spojené s hořlavými kapalnými elektrolyty.
- Menší a lehčí zařízení: Vyšší energetická hustota znamená, že pro stejnou kapacitu bude baterie menší a lehčí.
Výzkum týmu profesora Liho z Harvardu představuje klíčový krok k překonání největší překážky v cestě k praktickým a bezpečným lithium-kovovým bateriím. I když je pravděpodobně ještě nějaký čas potřeba na doladění a masovou výrobu, dosažené výsledky – 10 000 cyklů při rychlém nabíjení a eliminace dendritů – jsou neuvěřitelně slibné.
Tento objev nám dává reálnou naději, že baterie budoucnosti budou výrazně lepší – vydrží déle, budou se rychleji nabíjet, budou bezpečnější a umožní nám delší a svobodnější používání našich elektronických zařízení a dopravních prostředků. Doba, kdy budeme nabíjet výrazně méně často a méně dlouho, se zdá být blíž, než jsme si možná mysleli.
