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.
