Článek
Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.
Zprávami o nových bateriích nepochybně bude řada z nás už unavena. „Revoluční“, „převratnou“ či „neuvěřitelnou“ baterii slibují titulky mnohokrát do roka – ale kdo ji viděl?
Nu, nikdo – a přitom vlastně všichni. Ceny baterií za posledních několik desetiletí klesly jen na zlomek původní hodnoty: mezi lety 1991 a 2018 to dle jednoho výpočtu bylo o 97 procent. A od té doby ještě o necelou polovinu.
Pravdou zároveň je, že ve skutečnosti žádná „revoluční“ baterie na trh nepřišla. Zlevnění jsou dána mediálně nepříliš poutavým, byť naprosto zásadním vylepšováním chemie, ekonomiky a technologie výroby lithiových baterií, jež přišly na trh v 90. letech. (Znalci nám snad odpustí hrubé zjednodušení situace a vývoje.)
Obor plný slepých uliček
V posledních letech se pomalu i v praxi začínají objevovat úplně jiné přístupy (například sodíkové baterie), pravdou ovšem je, že lithia se jen tak nezbavíme. Lithium se pro baterie v mnoha ohledech hodí. Má správné elektrické vlastnosti a – byť to možná při hmotnosti baterie elektromobilů může být s podivem – je vůbec nejlehčí ze všech pevných prvků. Je lehčí než voda a petrolej.
Má pochopitelně své velké nevýhody (hořlavost), ale i přesto lze těžko předpokládat, že by v nějaké dohledné budoucnosti ve velké části baterií tento kov nebyl. Otázkou je, čím ho doplnit.
Sodíkové baterie
Sodíko-iontová baterie jako nosič náboje používá ionty sodíku (Na+). Její princip fungování a konstrukce článků jsou v některých případech podobné jako u lithium-iontových baterií (LIB), ovšem lithium nahrazuje sodík.
Základy vývoje sodíko-iontových baterií byly položeny v 70. a 80. letech 20. století. V 90. letech však lithium-iontové baterie prokázaly vyšší komerční potenciál, což vedlo k poklesu zájmu o sodíkové baterie. Na počátku první dekády 21. století došlo k oživení zájmu o sodíkové baterie, a to zejména v důsledku rostoucích nákladů na suroviny pro lithium-iontové baterie.
SIB články se skládají z katody na bázi materiálu obsahujícího sodík, anody (ne nutně materiálu na bázi sodíku) a kapalného elektrolytu obsahujícího disociované sodné soli v polárních protických nebo aprotických rozpouštědlech. Během nabíjení se ionty sodíku pohybují od katody k anodě, zatímco elektrony procházejí vnějším obvodem. Při vybíjení probíhá opačný proces.
Výzkum se dnes vyvíjí celou řadou směrů. Většina z nich není vlastně nová a je známá celá desetiletí. Základní principy toho, jak postavit baterii a které materiály by se pro ni tedy na papíře mohly hodit, zná lidstvo už poměrně dlouho a poměrně dobře.
Prakticky všechny mají ovšem své vady a chyby, kvůli kterým je nejde jednoduše postavit. A pokud ano, tak jen v malém: často doslova v milimetrových rozměrech a s využitím postupů, technik či doslova triků, jež v masové výrobě uplatnit nejde. Ať už třeba kvůli ceně použitých materiálů nebo složitosti postupů.
Obor i některým insiderům připomínal „alchymii“. Neexistoval totiž způsob, jak popsat a předpovídat, co se v článcích děje, a tak šlo vždy o obor plný neúspěchů a slepých uliček, v němž se musí zkušenosti sbírat roky. Což mimo jiného může znamenat, že právě vývoj baterií (a snad i řada dalších oborů materiálových věd) může výrazně profitovat z rozvoje „umělé inteligence“ při modelování složité chemie bateriových článků všeho druhu.
Výzkum, který chceme popsat dnes, se ovšem na vlně zájmu AI nijak neveze. Jeho autoři tento ani jiné související termíny ve zprávě o své práci vůbec nepoužívají. Není to vůbec zapotřebí, výsledky jsou rozhodně zajímavé i tak.
I pro vaše děti?
Práce, o které je řeč, je dílem německo-čínského týmu a vyšla v časopise Nature, jednom z nejprestižnějších odborných periodik vůbec.
Jejím předmětem je nový „podtyp“ tzv. lithium sirné baterie (LiS). Což je typ s obrovským potenciálem. Velmi jednoduše řečeno by teoreticky mohlo jít o výkonné a levné baterie.
Kladnou elektrodu tvoří prakticky čistá síra. Její atomy jsou schopny na sebe navázat dva atomy lithia. Což nezní jako mnoho, ale je to dvojnásobek toho, co zvládnou prakticky všechny dnešní materiály. Energetická hustota takové baterie by mohla tedy výrazně převyšovat stávající lithno-iontovou technologii. Zároveň je síra levná. Vlastně je to odpad z mnoha dnes používaných průmyslových procesů.
Ale postavit z této slibné dvojice materiálů baterii se dlouhodobě nedaří. Jednou překážkou je fakt, že síra během nabíjení či vybíjení mění svoje skupenství. Začíná a končí jako pevná látka, ale mezitím prochází tekutou fází, změní se tedy na kapalinu. Síra také při nabíjení mění svůj objem – asi o 80 procent – a články mají tedy sklony se trhat. Navíc reaguje s lithiem za vzniku rozpustných produktů, jež se mohou usazovat na anodě a baterii zničit.
Ve výsledku se tedy na papírově slibné technologii pracuje už několik desítek let bez dobrých výsledků. Většina lithium-sirných článků zkoušených v laboratořích měla doslova jepičí život – vydržely jen pár chvil, než se rozpadly.
Zároveň se ale zatím nepodařilo najít žádný dobrý důvod, proč by to jít nemělo – a tak někteří vědci v experimentech s tímto typem stále pokračovali. Pokud můžeme věřit výsledkům zmíněné čínsko-německé skupiny, tak by trpělivost těchto odborníků mohla dojít odměny.
Jejich článek je totiž nejen v kontextu sirných baterií doslova vytrvalostním rekordmanem: zachovala si zhruba 80 procent své kapacity i po 25 tisících cyklech nabití a vybití (přesně 80,2 procenta). Kdybyste ji tedy vybíjeli a nabíjeli každý den, tak by si měla zachovat 80 procent kapacity zhruba 70 let.
Základem úspěchu je zřejmě materiál, který leží mezi oběma „póly“ článku. Jde o nový typ elektrolytu, který na rozdíl od dnes rozšířených lithiových baterií není tekutý. Jde o pevnou látku, která stejně jako každý jiný elektrolyt funguje obrazně řečeno jako cesta pro ionty lithia, jež při nabíjení a vybíjení pendlují sem a tam. S pomocí několika fyzikálních triků se autorům podařilo vytvořit materiál, po kterém ionty mohou putovat s minimálním odporem (takže článek šlo také velmi rychle nabíjet, mimochodem), ale který je navíc velmi odolný a stabilní.
Pochopitelně, jak to v daný případech bývá, cesta do praxe bude jen těžko jednoduchá. Jde zatím jen o malý laboratorní článek, který například ke skutečné baterii do auta má neskutečně daleko. Asi jako právě ulitý ocelový ingot k celému autu.
Určitě se může brzy ukázat, že tento konkrétní přístup je vlastně slepou uličkou. Ale zároveň je jedním z několika zajímavých novinek v oboru jen v poslední době. Rychlý „pád“ baterií směrem k nižším cenám a lepším výkonům se nejspíše v dohledné době nezastaví, i když se nám to nemusí zdát.
