Článek
Spolupracovníci ho znali jako neuvěřitelně vitálního pracanta s nakažlivým smíchem, historie vědy ho pak patrně bude pamatovat jako jednoho z nejdůležitějších výzkumníků v oboru pevných materiálů druhé poloviny 20. století. Zbytek světa ho patrně neznal, přesto doslova nosí v kapse plody jeho práce.
V neděli 25. června totiž zemřel John B. Goodenough, autor klíčových objevů, které umožnily praktické rozšíření lithium-iontových baterií. Technologie, která mimo jiné prakticky umožnila rozšíření mobilních telefonů, snad nejrychleji se šířící technické novinky moderní doby. V roce 2019 právě za tuto práci získal Nobelovu cenu.
Podílel se ovšem i na výzkumu řady dalších dnes používaných technologií. Zmiňme práci na vývoji palivových článků či na polovodičových pamětech používaných nejen v osobních počítačích (typ, který známe všichni jako RAM).
Ze svých výsledků přitom nijak nezbohatl. Na penězích mu podle všeho vůbec příliš nezáleželo, a většiny se vzdal. O patenty se dělil s kolegy a získané finanční odměny, třeba právě za Nobelovu cenu, věnoval na výzkum či podporu stipendijních programů.
Ve vědě a výzkumu pracoval od 50. let 20. století až do druhé dekády 21. století, kdy mu bylo přes 90 let. Ještě v roce 2016 se podepsal pod práci, která vzbudila ve vědeckých kruzích určitý rozruch. Jen bohužel ne z těch nejlepších možných důvodů.
Příliš chytlavá inovace
Vraťme se ovšem ke Goodenoughově práci, která proměnila náš svět, tedy lithiové baterii. Její uvedení na trh umožnil nejen rozvoj osobní elektroniky, ale také poprvé reálně dovolilo uvažovat o stavbě elektromobilů, které by se mohly aspoň přiblížit výkonu moderních vozů na spalovací motory.
Po téměř celé 20. století si totiž lidstvo muselo vystačit s bateriemi, které vznikly ještě ve „století páry“. Například klasický olověný akumulátor byl poprvé postaven v roce 1859. Na pohled přitom „lithium-iontové“ baterie nejsou o tolik složitější. Tvoří je dvě elektrody oddělené membránami a tekutým elektrolytem, jímž nabité ionty putují od jedné elektrody ke druhé.
Lithium bylo také ideálním kandidátem na výrobu baterií už před více než sto lety. Umožňuje totiž stavět baterie s vysokou kapacitou a zároveň nízkou hmotností, protože je to nejlehčí pevný materiál a tedy ideální surovina pro baterie. V praxi byl tento kov ale zcela nepoužitelný, protože na vzduchu hoří.
Ale díky pokroku ve výrobních a dalších technologiích a výzkumu se v 2. polovině 20. století situace začala měnit. Klíčový krok udělal například britsko-americký chemik Stanley Whittingham, který se s Goodenoughem podělil o část zmíněné Nobelovy ceny za chemii v roce 2019. Při výzkumu možných supravodičů, tedy látek, které vedou elektřinu zcela beze ztrát, totiž náhodou padl na materiál (sulfid titaničitý, TiS2), který měl vlastnosti velmi vhodné pro elektrodu. Můžeme si ho představit jako mnohovrstvou plástev, do které se mohou schovat ionty lithia. Nebezpečný kov je tak v bateriích v relativně bezpečné formě.
Whittingham se ovšem dostal téměř doslova jen na půl cesty: baterii s katodou z nového materiálu objeveného a s anodou z – čistého lithia. Takže bezpečnostní problém přetrval. Velikou patálií bylo například „prorůstání“ lithia baterií – to je běžný problém, se kterým se jejich tvůrci musí potýkat dodnes. Zjednodušeně si to můžete představit tak, že z lithiové elektrody postupně vyrůstaly dlouhé „výhonky“ (česky se odborně říká dendrity) čistého kovového lithia, které nakonec dorostly až k druhé elektrodě.
Výsledkem je zkrat a v případě této velmi výbušné technologie často s velmi působivým „doprovodem“. Požáry ve Whittinghamově laboratoři byly údajně tak časté, že mu místní hasiči začali účtovat použití speciálních směsí nutných pro hašení lithia. Baterii se tak i přes snahu jeho autora a podpoře společnosti Exxon nepodařilo dostat na trh a vývoj byl na začátku 80. let ukončen.
Velká chvíle
Goodenough ale dokázal Whittinghamovu štafetu velmi šikovně převzít. V té době už to byl zkušený odborník na pevné materiály, který měl pocit, že jeho předchůdce nedokázal plně využít potenciál, jenž tento typ baterie nabízel. Jeho znalosti mu napovídaly, že kdyby se podařilo nahradit Whittinghamovu sirnou sloučeninu nějakým vhodným oxidem, mohlo by se výrazně zvýšit její pracovní napětí, a tím i praktické vlastnosti a použitelnost.
Hledání vhodného materiálu se věnovalo hned několik členů jeho týmu, kteří nakonec dosáhli asi většího úspěchu, než Goodenough čekal. Tým zjistil, že při využití katody z oxidu lithia a kobaltu (tzv. oxid kobaltitolithný, chemickou zkratkou LiCoO2) stoupne napětí článku na čtyři volty. Což velmi zjednodušeně řečeno znamenalo, že „výkon“ baterií se zvýšil na dvojnásobek.
Zmíněný oxid se stal jedním z nejpoužívanějších materiálů v bateriích, nebyl to ovšem zdaleka jediný příspěvek Goodenoughova týmu. Identifikoval i další materiály pro výrobu katod a „má prsty“ tedy ve všech podobách lithium-iontových bateriích, které se dnes vyrábí (LiMn2O4), a také stále rozšířenější katody, která se obejde bez vzácných materiálů, jako je kobalt (tedy katoda z LiFePO4).
Dodejme ovšem, že samotná komercializace „lionek“ nakonec nebyla práce Johna Goodenougha. Klíčový pokrok měl na starosti tým ze společnosti Sony, konkrétně Akira Jošino (angl. transkripcí Akira Yoshino), třetí spolupodílník Nobelovy ceny v roce 2019.
Ten pracoval s Goodenoughem objevenou katodou, ovšem pracně k ní hledal anody z různých uhlíkatých materiálů, které by sloužily jako „klec“ na lithiové ionty. Chtěl tak nahradit Whittinghamovu elektrodu z kovového lithia, které se ukázaly příliš nebezpečnými. Průlomu dosáhl s tzv. ropným koksem, což je křehoučký materiál vznikající při ohřátí těžších složek ropy. Dalšími úpravami z něj lze vytvořit materiál složený skoro výhradně z téměř čistého uhlíku (přes 99,5 %).
Díky tomu vznikla výrazně bezpečnější baterie, která mohla být v roce 1991 konečně uvedena na trh. O tři desítky let později, v roce 2022, už se těchto baterií v různých podobách prodalo po světě za zhruba 1,4 bilionu korun (cca 60 mld. dolarů).
Pracoval dál
Jak jsme říkali, John Goodenough v práci neustal ani v druhé dekádě současného století. Jednu dobu se dokonce zdálo, že právě v 21. století by mohl přijít s objevem ještě důležitějším než „lionka“.
Zhruba od roku 2015 totiž spolu s kolegy vyvíjel nový typu akumulátoru, pro který se vžil výraz „skleněná baterie“ (představili ho v této práci). Název vznikl proto, že článek by neměl využívat kapalného elektrolytu, ale elektrolytu ze skla obohaceného o malou příměs dalších materiálů, v tomto případě některých kovů. Skupina kolem Johna Goodenougha a Marie Heleny Bragové k tématu vydala zhruba desítku prací v různých časopisech a zaregistrovala si několik patentů.
Pevný skleněný elektrolyt by měl přinášet celou řadu výhod. Měl by být levný, nehořlavý a samozřejmě také výkonnější. Články by podle autorů nápadu mohly mít zhruba pěti- až osminásobně vyšší kapacitu než dnešní lithiové.
Což znamená, že by skutečně neměl být problém sestrojit elektromobil s řádově tisícikilometrovým dojezdem (nebo alespoň auto s výrazně levnější baterií). Navíc design by měl umožňovat extrémně rychlé nabíjení: o řád rychlejší než u dnešních lithiových článků.
Pokud byste Goodenoughův nový vynález hledali na internetu, najdete v podstatě pouze pozitivní PR: Řadu rozhovorů s autory, víceméně nadšené články v populárně-naučných časopisech, odborná komunita se však o „skleněných baterkách“ téměř nezmiňuje. Hlasů se ozvalo jen pár a nebyly zdaleka tak pochvalné, jak byste si mohli myslet.
V roce 2019 se dokonce objevila informace, že největší energetická společnost provincie Québec – Hydro-Québec – chce investovat do komercializace celého konceptu. Vše se zdálo být na cestě k dalšímu velkému úspěchu.
Malý problém se zákonem
Ale nedopadlo to. Dnes na webových stránkách společnosti Hydro-Québec není kromě první tiskové zprávy o „skleněné baterii“ nic. Nezdá se, že by se této technologii věnovala nějaká pozornost třeba ve výročních zprávách či jiných materiálech. I „šum“ v populárně-vědeckých médiích zcela ustal, stejně jako proud odborných publikací.
Proč? Zřejmě proto, že „skleněné baterii“ prostě nic není. „Kdyby to publikoval kdokoli jiný než Goodenough, neměl bych pro tu práci příliš uctivé označení,“ nechal se už před lety slyšet Daniel Steingart, materiálový inženýr z Princetonu.
Steingart byl jeden z mála odborníků, který se veřejně k myšlence vyjádřil. Jeho kritika nápadu byla sice uctivá, ale zároveň nelítostná a mnohostranná.
Pro laika je nejpochopitelnější výtka, že „skleněný“ akumulátor porušuje první termodynamický zákon, tedy zákon o zachování energie. Ten říká, že množství energie je v rámci jednoho systému konstantní. V daném případě je problém v tom, že „skleněná baterie“ má v obou elektrodách kovové lithium nebo sodík. Jsou vlastně „stejné“ (tedy z hlediska elektrochemického potenciálu), proč by mezi nimi mělo vzniknout nějaké napětí a proudit energie? V baterii by prostě neměla proběhnout reakce, díky které baterie obvykle fungují.
Podle názoru Steingarta chyba nejspíše vznikla, když se autoři pokoušeli pochopit, co se v akumulátoru děje. To v případě baterií bývá málokdy jednoduché, a i „skleněný“ experimentální článek je poměrně složitý a probíhá v něm celá řada chemických procesů. Výzkum se odehrává na velmi malých článcích s malými výkony, u kterých i nepatrná chyba měření či jiná chyba v experimentu můžou naměřené výsledky snadno zkreslit.
Autoři „skleněné baterie“ ale svá měření interpretují tak, že akumulátor kvůli exotickým jevům na rozhraní obou elektrod a dalším faktorům uvolňuje energii, aniž dochází k chemické přeměně materiálů v ní obsažených. Přitom základ lithiových a dalších chemických akumulátorů spočívá právě v tom, že skladování elektřiny je v nich spojeno s nějakou chemickou reakcí.
Například u lithium-iontových akumulátorů dochází při vybíjení ke sloučení lithiových iontů a materiálu katody (dodejme, že při nabíjení se ionty uvolňují a putují do anody, kde se „uhnízdí“ v materiálu, aniž by s ním chemicky reagovaly).
Steingart napsal o tématu dlouhý blog, ve kterém si pomáhá příměrem: Goodenough a spol. podle něj „tvrdí, že palivo vlastně neustále reaguje, a přitom se nespotřebovává“. Skleněný akumulátor je podle něj jakési perpetuum mobile.
Není to jediná „zvláštnost“ nového akumulátoru. Autoři objevu dále uvádějí, že podle jejich názoru v tomto zařízení dochází také ke spontánnímu dobíjení článků. Jak konkrétně, to pouze odhadují, ale akumulátor by se tak choval přesně opačně než všechny dnešní články: Ty se v menší či větší míře spontánně pouze vybíjejí.
Stojí si za svým
Steingart je jedním z mála odborníků na tomto složitém poli, který se revolučnímu typu akumulátoru věnoval, není ovšem jediný. V odborném tisku se objevil článek týmu z univerzity v rakouském Grazu, který se pokoušel přesně napodobit práci týmu kolem Johna Goodenougha.
Na základě svých pokusů a analýz dospěl k závěru, že ve skutečnosti probíhají ve „skleněné baterii“ jiné procesy, než se autoři domnívají. Nemělo by se tedy jednat o převratný vynález, ale chybu, k jakým ve vědě čas od času dochází. V podobných případech se mluví o tzv. patologické vědě. To je terminus technicus, který označuje situaci, kdy se vědci nevědomky odchýlí od vědecké metody a nedokážou tak objektivně posoudit slabiny své práce.
Veřejně své pochybnosti v několika příspěvcích vyjádřil také například elektrochemik Matt Lacey (poslední najdete zde). Ani toho totiž opakované publikace o vlastnostech „skleněné baterie“ nijak nepřesvědčily, a důkazy, že funguje, považuje za velmi slabé.
Proč se o tom příliš nemluví? Zřejmě v tom hraje roli několik faktorů. Za prvé samozřejmě proto, že samotný výzkum není triviální. Chyby se v takových případech stávají, to není nic neobvyklého. Goodenough byl v době představení baterie legenda oboru a kritizovat jeho současnou práci (i s ohledem na jeho věk) se mohlo zdát neslušné a bezohledné.
Dalším faktorem je to, že vědci ve většině případů nedostávají „body“ za vyvrácení cizích omylů. Ověřování a případné vyvracení cizích hypotéz je sice nezbytnou součástí vědeckého pokroku, ve skutečnosti ovšem nebývá tato snaha příliš odměňována. Vědecké časopisy i grantové agentury si mnohem více cení pozitivních výsledků než těch negativních. Takových prací, jakou udělal tým z Grazu, vychází (a to nejen v oboru elektrochemie) podle celé řady odborníků příliš málo.
Z hlediska vědy jako celku je to velká škoda, protože některé omyly pak přetrvávají zbytečně dlouho. V některých oborech jde o relativně vážný problém, který komplikuje práci ostatním – třeba proto, že různé laboratoře po světě ztrácí čas snahou o replikaci mylného či v nejhorším případě podvodného výsledku, na jejichž veřejné vyvrácení si nikdo neudělal čas.
Chyby či omylu se přitom může dopustit každý – i tak zapálený, vzdělaný, pracovitý a inteligentní odborník, jakým byl John Goodenough. Nejen ve vědě jsou omyly nevyhnutelné, a nejen v ní je důležité umět je včas odhalovat, napravovat a poučit se z nich. A také odpouštět: A jestli si někdo zasloužil, abychom mu je odpustili, tak to byl muž, jenž za 50 let doslova nezištné práce přišel se spoustu nápadů, které nám dnes ulehčují život.
