Bez kobaltu, ale s 3D katodami. Vědci hledají bezpečnější baterie

Moderní svět by nemohl fungovat bez baterií, které dokáží akumulovat energii. Jenže také občas chytnou, vyrábí se z prvků, které těží v nelidských podmínkách malé děti, a navíc jsou zdroje na ně velmi drahé. Všechny tyto problémy by mohla vyřešit nová technologie.

Ještě v roce 2019 vyjížděli hasiči v Česku jenom k několika jednotkám případů požárů elektrokoloběžek a elektrokol, vloni už bylo těchto výjezdů výrazně přes sto. Souvisí to nejen s tím, jak se tyto rychlé a levné dopravní prostředky v Česku rozšiřují, ale také se stárnutím baterií.

Právě moderní lithium-iontové (neboli Li-ion) baterie umožnily vznik elektromobility, daly lidem možnost používat mobilní telefony, ale třeba také díky nim fungují masivní úložiště elektřiny, která dnes stabilizují v řadě zemí přenosové soustavy. Problém je, že přes to, jak rychle se od počátku jednadvacátého století rozšířily, technologicky u nich vlastně k velkému pokroku nedošlo. Mají jak spoustu omezení, tak i bezpečnostních rizik – jak ukazují právě aktuální data o požárech koloběžek. Snaží se to teď změnit experti na materiálové vědy z Caltechu pod vedením Julie R. Greerové.

Tato vědkyně vede velkou laboratoř, která se právě zdokonalováním Li-ion baterií zabývá. Věří, že našla novou cestu k tomu, jak tyto baterie udělat méně nebezpečnými a současně ještě šetrnějšími k životnímu prostředí. A navíc by měly být tyto úpravy schopné zvýšit výkon baterií, na nichž běží celá moderní civilizace.

„Vyvinuli jsme univerzální způsob výroby trojrozměrně strukturovaných elektrod pro baterie z bezpečnějších materiálů,“ uvedla laboratoř Greerové v souvislosti s novou studií, kde popsali novou elektrodu, která by podle nich mohla změnit podobu baterií už v blízké budoucnosti. Využili k tomu fosforečnan lithno-železitý (LFP), který se už v některých typech baterií využívá, a zkombinovali ho s uhlíkovou matricí. Výsledek byla baterie, která obsahovala méně kobaltu – což je prvek, který přináší rovnou několik problémů – a současně byla mechanicky odolnější.

Jak funguje baterie

Baterie se skládají z pěti hlavních částí: anody neboli záporné elektrody; katody neboli kladné elektrody; elektrolytů – tedy chemického média, které přenáší ionty mezi elektrodami; propustného separátoru mezi oběma elektrodami, který umožňuje průchod iontů, aniž by se elektrody dotýkaly; a sběračů proudu, které umožňují získávání elektřiny vyrobené prostřednictvím elektrochemické iontové výměny.

Americká studie se zaměřila na vývoj katody, která by měla díky své struktuře odlišné vlastnosti. Zatímco dnešní lithium-iontové elektrody jsou ploché, ta nová má 3D povrch. Právě přidání třetího rozměru mění pohyb iontů a elektronů, které tím získávají nové účinné dráhy. Dalo by se to přirovnat k velodromu na dráhovou cyklistiku – ten přidáním třetího rozměru umožňuje cyklistům nabrat vyšší rychlost a udržet se na ní, aniž by vylétli z dráhy.

„Pokud vyrobíte baterii s trojrozměrnou architekturou namísto rovinné, každý iont lithia bude mít při svém pohybu elektrolytem k dispozici aktivní povrch,“ vysvětluje profesorka Greerová. Právě na těchto površích se chemická energie uložená v iontech přeměňuje na elektrickou energii. Tato architektura umožňuje podle ní vyšší hustotu výkonu, říká Greerová, což určuje, jak rychle se dá uložená energie uvolnit.

Pryč s kobaltem

Dalším významným problémem současných lithium-iontových baterií – hlavně těch v noteboocích a smartphonech – je, že mnoho jejich katod obsahuje kobalt. Tento kov je jednak velmi drahý, současně se asi tři čtvrtiny všech světových zásob nacházejí v jediné zemi – Demokratické republice Kongo. To vytváří velké riziko pro dodavatelské řetězce: politická nestabilita, korupce nebo výkyvy v těžbě mohou snadno ovlivnit dodávky.

Navíc se přes snahu Západu stále těží neetickými postupy, jakým je například dětská práce. Ale také podmínky pro dospělé jsou v těchto dolech zdrojem kritiky, protože jsou velmi nebezpečné, též je to spojeno s nízkými mzdami a někdy i otrockou prací.

A to není všechno, právě kobaltové katody mají souvislost se zkraty, které vedou k požárům baterií. U LFP, které se pro výrobu nové katody využilo, je hrozba mnohem nižší.

„LFP samo o sobě není nový materiál, ale využití této technologie aditivní výroby, neboli 3D tisku, k vytvoření strukturované elektrody, která neobsahuje kobalt, je novinkou,“ vysvětluje Greerová, co je vlastně ve výzkumu její laboratoře tak přelomového.

Co dál

Teď začne stejný tým pracovat na 3D anodě ze stejného materiálu. Výsledkem by podle nich měla být výrazně šetrnější baterie vyrobená z levnějšího materiálu a navíc s vysokou energetickou i výkonovou hustotou.

Nebude to ale snadné. Hlavním zádrhelem je 3D tisk elektrod, který stále není dostatečně prozkoumaný a navíc je v současné době zatím příliš drahý. Vědci doufají, že výsledné baterie, když se všechno podaří, by se daly použít na mnohem více místech než nyní.

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

AI poprvé vytvořila funkční viry. Vědci varují i uklidňují

Americkým bioinženýrům se podařilo poprvé naučit pokročilý model umělé inteligence (AI), aby navrhoval viry, které by se daly využít v medicíně. Úspěch ale vyvolává i kritiku, protože podobným způsobem by se daly vytvářet také viry schopné ohrozit rostliny, zvířata i lidi.
před 13 hhodinami

Virtuální realita mění medicínu. Lékaři si otestují každý řez, říká český expert

Moderní technologie vstupují v současné době do medicíny rychleji než kdy dřív. V oboru chirurgie jater se kombinuje dokonce několik hi-tech přístupů současně: od umělé inteligence, přes virtuální realitu, až po augmentové vnímání světa. V pražském IKEMu má tuto technologickou revoluci na starost David Sibřina.
před 14 hhodinami

V Kongu hrozí mutace eboly, obávají se virologové

Virus eboly, který v Kongu způsobuje jednu z nejhorších epidemií v historii, by mohl mutovat, varují zdravotníci. Afričtí odborníci proto plánují výrazně rozšířit zásah proti nákaze, včetně vyhledávání pacientů přímo v domácnostech. Počet potvrzených případů už překročil čtyři tisíce a podle úřadů jde o druhou největší epidemii eboly v historii.
před 20 hhodinami

Pobyt u vodních ploch zvyšuje duševní pohodu, ukázala mezinárodní studie

Pobyt u vody prospívá duševní pohodě, obzvlášť když se člověk cítí bezpečně a do vody také vstoupí. Vyplývá to z mezinárodní studie, která zkoumala více než 17 tisíc návštěv vodních ploch v devatenácti zemích.
před 20 hhodinami

Od Moravy po Maďarsko. Srpnová horká vlna se zapíše do dějin klimatologie

Ve střední Evropě zvolna končí další mimořádně horké období. Těžiště vlny veder se na začátku srpna přesunulo především nad Moravu, Maďarsko, Slovensko a východní Rakousko. Odpolední teploty na rozsáhlém území překračovaly 35 stupňů Celsia a lokálně se dostávaly až ke čtyřicítce. Ještě významnější jsou ale velmi teplé noci, během kterých teplota nejen v centrech měst, ale i ve vyvýšených polohách zůstávala výrazně nad dvaceti stupni. Výsledkem jsou opět nové teplotní rekordy – včetně těch absolutních.
6. 8. 2026

Video„A pak ticho,“ popisovali přeživší po svržení atomové bomby na Hirošimu

V jediné sekundě se změnil svět. Svržení atomové bomby na Hirošimu. A pak ticho – tak ten moment popisují přeživší. Co všechno americký prezident Harry S. Truman o jaderné bombě nevěděl? Co ho překvapilo, když viděl fotografie zničené Hirošimy? Proč nakonec nenařídil útok na Kjóto? A který útok Američanů na japonské cíle byl ve skutečnosti nejničivější, pokud jde o počet obětí? Po 81 letech se dozvídáme mnohem víc o tom, co se odehrávalo na konci druhé světové války, když se Američané rozhodovali bombu na Hirošimu svrhnout. O samotném okamžiku, jeho přípravách i důsledcích pro americkou, japonskou – a nepřímo i německou – společnost mluví Jaroslav Zoula, redaktor vědecké redakce České televize a autor podcastových sérií Úsvit atomového věku a Černobyl: stín atomového věku.
6. 8. 2026

Na Cambridgeské univerzitě skončil profesor obviněný z plagiátorství

Na Cambridgeské univerzitě ve středu skončil 41letý černošský profesor Jason Arday, který byl obviněn z plagiátorství některých částí své disertace. Učinil tak krátce poté, co tato prestižní britská instituce v souvislosti s obviněním oznámila zahájení vyšetřování, uvedla agentura AFP. Kauza je podle ní příkladem kulturní války zmítající mnoha univerzitami, z nichž některé vyvolávají podezření ohledně kritérií přijímání výzkumných pracovníků z řad menšin.
6. 8. 2026

ISS je zastaralá, soukromá stanice ji plně nahradí, věří bývalý astronaut Kopra

Soukromé společnosti už ovládly dopravu nákladu i lidí do vesmíru. A teď se zaměřují na výstavbu vlastních stanic na oběžné dráze Země. Mimo jiné i proto, že Mezinárodní vesmírná stanice (ISS) bude fungovat už jen několik let, přestat sloužit by měla kolem roku 2030. Jednu z plánovaných náhrad ISS má na starosti exastronaut NASA Tim Kopra, který poskytl rozhovor vědecké redakci České televize. Podílí se na vývoji stanice Starlab společnosti Voyager Technologies, přičemž využívá vlastních zkušeností z pobytu na ISS.
6. 8. 2026

Evropský pohled

ČT24 každý den vybírá z obsahu publikovaného evropskými veřejnými médii, členy Eurovize.