Nečekaný úspěch baterie, která by mohla být stejně dobrá jako benzin

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

Skupina amerických vědců v loňském roce překvapila své kolegy nečekaně podařeným pokusem o vytvoření „svatého grálu“ mezi lithiovými bateriemi. V práci vydané špičkovým časopisem Science autoři ukázali rekordně stabilní baterii, která v sobě má jen jednu elektrodu.

Vědci se domnívají, že jimi použité principy by mohly posloužit při stavbě baterií pro nákladní vozy (které se jinak těžko elektrifikují) nebo různé létající stroje. V principu jde zároveň o typ, který konečně mohl umožnit osobním autům s baterií, aby měla skutečně reálný maximální dojezd podobný dnešním běžným vozům se spalovacími motory. Z českého hlediska bychom si to mohli představit jako možnost pohodlného dojezdu od nás k nejbližšímu moři.

Začneme od jednoduchého základu. V litru dnešního automobilového benzinu či nafty je o něco méně než 10 kilowatthodin (kWh) energie. Tohle číslo je přibližné, pro hrubou představu. V nádrži moderního vozu tak můžete najednou vézt zhruba 500 kWh, abychom se drželi řádově správných, a přitom jednoduchých čísel.

Spalovací motor, převody a vůbec hnací ústrojí novějších vozů využije z této energie zhruba třetinu na to, aby hmotu vozu rozhýbalo, jak posádka potřebuje. Řekněme, že to je 160 kWh.

Průměrné auto – spalovací i elektrické – potřebuje na ujetí 100 kilometrů 20 kWh. Znovu jde o údaj přibližný: malým či velmi aerodynamickým vozům může stačit poměrně výrazně méně, velké SUV – „městské traktory“ – potřebují více.

Nejprodávanějším evropským elektromobilem roku 2023 byla Tesla Model Y, která má baterii s kapacitou buď 60, či 80 kWh. Spotřeba Tesly je nižší než zmíněných 20 kWh, ale dojezd se stejně pohybuje kolem 400 kilometrů, takže nad tím zamhuřme oko. Spotřeba nižší, ale vůz má také nějaké ztráty při převodu elektřiny na pohyb, takže výsledek se od našeho jednoduchého hypotetického příkladu příliš neliší.

Jak vypadá srovnání? Běžné auto na fosilní palivo tedy veze na palubě dvakrát více skutečně využitelné energie než generace dnešních elektromobilů. A tak má zhruba dvojnásobný dojezd. Baterie tedy v tomto ohledu mají ještě co dohánět – a nebylo jasné, jestli se jim praxi v dohledné době vůbec podaří dohnat.

Z dobrých důvodů se vždy počítalo s tím, že ty nejlepší baterie budou obsahovat i v budoucnosti velmi lehké a dobře vodivé lithium. Lithiových baterií je celá řada typů s různými výkony. Ale „zlatým hřebem“ na konci vývojové řady lithiových baterií by mohla být lithium-vzduchová baterie. Ta by teoreticky mohla umožnit elektromobilům „dohonit“ vozy se spalovací motorem v množství energie na palubě.

Tento druh baterie má vlastně jen jednu fyzickou elektrodu: kovovou lithiovou anodu. Druhá elektroda, katoda, je naše atmosféra. Když se baterie vybíjí, na anodě dochází k oxidaci lithia. Při tom se uvolňují elektrony a lithium se rozpouští v elektrolytu baterie. Elektrony udělají svou práci, obvodem se vrací na katodu, kde reagují s kyslíkem ze vzduchu. Při nabíjení baterie probíhá tento proces opačně: Lithium se „regeneruje“ z elektrolytu a na katodě se uvolňuje kyslík.

Na papíře je to špičková chemická baterie. Tato a další podobné tzv. kovovzdušné baterie by mohly pojmout několikanásobně více energie na kilogram než „lionky“.

Z praktického hlediska to tak slavné není a někteří odborníci ji označovali neveřejně i veřejně za „chemickou pohádku“. Snahy o průlom se totiž nedařily a baterie tohoto typu byly vždy jen malá experimentální zařízení, která se při použití prakticky rozpadala pod rukama.

Ovšem Larry Curtiss z Argonne National Laboratory v Lemontu ve státě Illinois a jeho kolegové se v roce 2023 překvapili. Představili experimentální lithium-vzduchovou baterii v pevném stavu testovanou v laboratoři na více než 1000 cyklů – což je obvykle uváděná (minimální) hodnota pro praktickou autobaterii.

Tým uvádí, že jeho testovací článek o velikosti mince dosahuje kapacity přibližně 685 Wh na kilogram (Whkg-1) a je reálné dosáhnout s dalšími úpravami i kapacity zhruba dvojnásobné, tedy kolem 1200 Whkg-1.

Baterie v elektromobilech (ne samotné články, ale celé „zabalené“ baterie) mají kapacitu kolem 300 Wh na kilogram. Jinak řečeno, s lithium-vzdušnou baterií by elektromobil mohl mít při stejné velikosti baterií zhruba podobný dojezd, jaký dnes nabízí vozy se spalovacím motorem. A elektrická letadla by konečně mohla začít létat ve větších počtech.

Specialisté na baterie stále ještě říkají, že jejich obor je tak trochu „alchymie“: Dnešní chemie nedokáže přesně popsat a předpovídat, co se v článcích děje, a tak jde o obor plný neúspěchů, slepých uliček, ve kterém se musí zkušenosti sbírat roky.

V tomto případě ovšem autorům náhoda přála. Experimentální systém funguje na základě nové chemie, která překvapila i jeho objevitele.

Předchozí pokusy o vytvoření lithium-vzduchových baterií obvykle vytvářely na katodě superoxid lithný (LiO2) nebo peroxid lithný (Li2O2), které obsahují jeden nebo dva elektrony na molekulu kyslíku.

Nový článek namísto toho vytváří oxid lithný (Li2O), který dokáže udržet čtyři elektrony. V jediném kroku tak dojde k přenosu čtyř elektronů, což by mělo zvýšit maximální kapacitu baterie. Toto chemické řešení se tak zdá být mnohem stabilnější než předchozí, což by se mělo odrazit v životnosti článků. Autorský tým nečekaně dosáhl cíle, ke kterému odborníci neúspěšně mířili delší dobu.

„Je neuvěřitelné, co dokázali,“ okomentoval objev pro časopis Nature Winfried Wilcke (dnes na odpočinku, v letech 2009-2015 vedl bateriový výzkum v IBM) a pokračuje: „Mohou používat obyčejný špinavý vzduch s vlhkostí a oxidem uhličitým a vším ostatním, co najdete v nefiltrovaném vzduchu. Žádný problém.“

Slabinou práce je, že ji zatím nikdo nezopakoval – je tedy stále možné, že naděje jsou předčasné. A přestože se jedná o skvělý systém pro ukládání energie, není jasné, jak by fungoval v praxi – například jak by se dal vzduch přivádět a odvádět, zda by se dal postavit větší a mohl by fungovat při vyšších proudech. Nejde tedy rozhodně o baterii, která by mohla být dostupná během několika dalších let.

Výsledek v laboratoři se automaticky nemusí přenést do praxe. Zatím je k dispozici jen malinký článek, který sice funguje poměrně dobře, ale nikdo nezaručí, že půjde jednoduše zvětšit, či že půjde vyrábět za přijatelných nákladů.

To je otázka dalšího a velmi specializovaného vývoje a výzkumu, který autoři článku ze Science vůbec ještě nezačali (a nejspíš na něj asi nejsou ani ti praví, protože to je práce pro vývojáře se znalostí výrobních praktik). Ale výsledky jsou určitě v mnoha ohledech i tak zajímavé a slibné.

Tým vzhledem k vysoké energetické hustotě uvažuje o využití této technologie nejlépe v letectví. Energetická hustota energie je v tomto oboru zásadním faktorem. Vhodná baterie by ale mohla otevřít nové možnosti: třeba konstrukce létajících strojů s vertikálním vzletem a přistáním, které by mohly sloužit jako „létající taxíky“. Což je služba, kterou mohou dnes nabídnout vrtulníky, ovšem za cenu, která nedovolí větší rozvoj.

Neznamená to nutně, že baterie by tuto službu demokratizovaly úplně. Je celkem pravděpodobné, že kvůli technické náročnosti (třeba problému s regulací přístupu atmosféry k lithiové elektrodě) budou tyto baterie výrazně dražší než jiné typy.

Dosavadní trendy naznačují, že se pravděpodobně dočkáme v budoucích dopravních prostředcích řady různých baterií. Mohli bychom se dočkat například sodíkových baterií nebo LFP pro automobily nižší třídy, vysokozdvižné vozíky nebo specializovaná vozidla.

Pro vozidla střední třídy by pak mohly být k dispozici vylepšené lithium-iontové baterie, možná s křemíkovou anodou, nebo katodou z kamenné soli, případně by tuto třídu mohly převzít polovodičové lithiové baterie. Pro elektromobily vyšší třídy – nebo pro „vzdušné taxíky“ by se pak mohly používat články na principu lithium-síra nebo dokonce lithium-vzduch. Pokud nás budoucnost něčím nepřekvapí a nebude vše jinak, pochopitelně…

Oprava: V článku došlo v jednom případě záměně jednotek (kWh za Wh) a tedy i chybě v jednom údaji o tři řády. Za chybu se čtenářům omlouváme.