Odvětví skladování energie dnes čelí fyzikální zdi diktované konvenční chemií. Lithium-iontové baterie, které pohánějí vše od mobilních telefonů po elektromobily, se spoléhají na elektrolyty na bázi uhličitanů, které jsou sice účinné, ale omezují pohyblivost iontů a při poklesu teploměru pod bod mrazu selhávají.
V praxi to znamená, že mobilní telefony se na sněhu náhle vypnou, elektromobily v zimě ztratí velkou část svého dojezdu a drony nebo roboti při poklesu teploměru jednoduše přestanou fungovat. Nejedná se o ojedinělou konstrukční chybu, ale o přímý důsledek pohybu iontů lithia v kapalném elektrolytu, který spojuje anodu a katodu baterie.
V současné době průmysloví giganti, jako je CATL, pracují s hustotou 250 až 255 Wh/kg, což je sice špičkové číslo, ale nedosahuje ambicí elektrického letectví nebo vesmírného výzkumu, kde záleží na každém gramu hmotnosti. Dokonce i nejpokročilejší nikl-mangan-kobaltové (NMC) nebo nikl-kobalt-hliníkové (NCA) baterie zřídkakdy překračují 300 Wh/kg na komerční úrovni článků a bezpečnější a levnější lithium-železo-fosfátové (LFP) články se pohybují kolem 160-190 Wh/kg.
V této souvislosti je každý malý průlom často oslavován jako úspěch. Proto oznámení z Číny není jen dalším postupným krokem, ale skokem v měřítku.
Tým vědců z univerzity Nankai ve spolupráci se Šanghajským Institutem kosmických zdrojů energie oznámil průlom, který boří dosavadní rekordy. Podle studie zveřejněné v prestižním časopise Nature se výzkumníkům podařilo přepracovat elektrolyt na molekulární úrovni a nahradit tradiční koordinaci lithia a kyslíku novým systémem fluorovaných uhlovodíků.
Práce, kterou vedl profesor Huang Jinhua, se zaměřuje na koncept, který byl dosud považován za nepraktický: lithium „dává přednost“ koordinaci s atomy fluoru před kyslíkem, což zcela mění způsob pohybu iontů v baterii a jejich interakci s elektrodami.
Zvýšení kapacity a odolnosti proti chladu
Tato úprava umožňuje pohyb iontů s nebývalou volností a v laboratorních článcích dosahuje hustoty energie přibližně 700 watthodin na kilogram (Wh/kg) při pokojové teplotě. Pro představu, tato hodnota se blíží měrné energii některých fosilních paliv (pokud vezmeme v úvahu pouze hmotnost paliva, nikoli hmotnost motoru), než je tomu u dnešních komerčních baterií.
Klíč k tomuto chemickému „zázraku“ spočívá v použití 1,3-difluoropropanu (DFP), rozpouštědla s nízkou viskozitou, které si zachovává vysokou stabilitu vůči oxidaci. V běžných bateriích se elektrolyt obvykle skládá ze směsi uhličitanů (např. ethylenkarbonátu nebo dimethylkarbonátu) a lithné soli (obvykle LiPF6). V novém systému působí DFP jako hlavní složka fluorovaného elektrolytu, který zcela mění chemické prostředí lithiového iontu.
Co to zjednodušeně řečeno znamená? Že lithium narazí na své cestě na méně „překážek“. Úpravou elektronické struktury a prostorového uspořádání molekul se vědcům podařilo snížit sílu interakcí mezi lithiem a fluorem, takže ionty nejsou „uvězněny“ v příliš stabilních komplexech. Výsledkem je rychlejší a účinnější transport iontů, i když je elektrolyt vlivem chladu viskóznější.
Výsledkem je baterie, která nejenže ztrojnásobuje kapacitu komerčních baterií, ale udržuje ohromující hodnotu 400 Wh/kg v prostředí s teplotou -50 °C, tedy v podmínkách, kde by standardní baterie byla zcela nepoužitelná. Při testech popsaných v časopise Nature si články zachovaly významnou iontovou vodivost a použitelnou kapacitu i při teplotě -70 °C, což je teplota typická spíše pro stratosféru nebo extrémní polární oblasti než pro běžnou zimu.
Zdroj: Youtube.com
Kromě energetické hustoty tým uvádí vynikající elektrochemickou stabilitu při vysokém napětí, která je klíčová pro zamezení rychlé degradace elektrolytu a vzniku nežádoucích produktů, které zkracují životnost baterie. Nový elektrolyt spontánně vytváří na anodě rovnoměrnější a stabilnější ochrannou vrstvu (tzv. SEI), čímž omezuje tvorbu lithiových dendritů, oněch jehličkovitých struktur, které mohou způsobit vnitřní zkraty.
To by znamenalo zásadní změnu pro leteckou techniku a výškovou robotiku, kde jsou lehké zdroje energie odolné vůči chladu nezbytností. Malé satelity, bezpilotní letouny ve velkých výškách, stratosférické balóny, polární senzory nebo vojenská bezpilotní vozidla by mohly fungovat déle a s menší hmotností baterií a topných systémů.
„Elektrolyt je vybaven všemi přednostmi pro baterie s vysokou hustotou energie, včetně výjimečné iontové vodivosti i při -70 °C,“ poznamenávají vědci ve studii. Odstraněním „úzkého hrdla“ transportu iontů se Čína staví do čela příští generace elektrických pohonů a přenosných systémů skladování energie.
V čem přesně se liší od běžných lithiových baterií?
Abychom pochopili rozsah tohoto průlomu, stojí za to se na chvíli zastavit a zamyslet se nad tím, jak funguje typická lithium-iontová baterie. V každém nabíjecím a vybíjecím cyklu se ionty lithia přesouvají z anody (v experimentálních konstrukcích obvykle grafit nebo kovové lithium) do katody (oxidy přechodných kovů) přes elektrolyt. Tento elektrolyt musí nejen dobře vést ionty, ale musí být také chemicky stabilní, nehořlavý a kompatibilní s materiály elektrod.
V tradičních systémech se lithium koordinuje především s atomy kyslíku přítomnými v molekulách uhličitanů. Tato koordinace lithia s kyslíkem je silná a stabilní, ale také způsobuje, že se ionty pohybují hůře, zejména když teplota klesne a kapalina se stane viskóznější. Kromě toho mají uhličitany tendenci degradovat při vysokých napětích a vytvářejí méně kontrolované povrchové vrstvy na elektrodách.
Nankaiův přístup toto paradigma porušuje: nahrazuje koordinaci lithium-kyslík koordinací lithium-fluor v prostředí fluorovaných uhlovodíků. Vysoce elektronegativní fluor mění rozložení náboje molekul elektrolytu a oslabuje přímou interakci s lithiem, což usnadňuje jeho pohyb. Silně fluorovaná povaha prostředí zároveň pomáhá vytvářet ochranné vrstvy bohaté na sloučeniny fluoru, které bývají tepelně a elektrochemicky stabilnější.
Tento typ konstrukce je součástí širšího trendu ve výzkumu baterií: takzvaného „solvatačního inženýrství“, které zahrnuje přesné řízení toho, jak jsou ionty v elektrolytu obklopeny a koordinovány, aby se optimalizovaly vlastnosti, jako je vodivost, stabilita a bezpečnost. Nankaiova práce ukazuje, že manipulací s molekulární „bublinou“ obklopující lithium je možné z lithiové chemie vymáčknout mnohem vyšší výkon, aniž by bylo nutné radikálně měnit materiály elektrod.
Prvním cílem jsou elektromobily, ale náš pohled míří dál.
Úspěch dosažený v laboratorním měřítku zároveň otevírá dveře elektromobilům s dojezdem, který by mohl snadno přesáhnout 1 000 km na jedno nabití, alespoň na papíře. Elektrický sedan, který je v současnosti vybaven bateriovým blokem o kapacitě 75-100 kWh, by mohl díky hustotě na úrovni článků blízké 700 Wh/kg výrazně snížit hmotnost tohoto bloku nebo při zachování hmotnosti znásobit jeho dojezd.
Krok od testů k sériové výrobě však bude vyžadovat důkladné ověření z hlediska bezpečnosti a hospodárnosti. Převedení tohoto experimentálního milníku do podoby komerčně životaschopného výrobku zahrnuje optimalizaci stability článků při opakovaných nabíjecích cyklech, zajištění toho, aby elektrolyt nebyl nadměrně hořlavý nebo toxický, a zajištění toho, aby byl nový systém elektrolytu ekonomicky konkurenceschopný se současnými karbonátovými řešeními.
V laboratorních testech výzkumníci prokázali slibné zachování kapacity po desítkách nebo stovkách cyklů, ale normy automobilového průmyslu vyžadují tisíce nabíjecích a vybíjecích cyklů, plus testy zneužití (proražení, přebití, zkrat, náraz) a mezinárodní certifikace. To vše může trvat roky, i když je základní chemie spolehlivá.
Cílem týmu je nyní rozšířit technologii pro integraci do komplexních energetických systémů. To zahrnuje vývoj rozsáhlých procesů syntézy elektrolytu, posouzení jeho kompatibility se stávajícími výrobními linkami a studium jeho výkonu v komerčních formátech článků (vakové, válcové 4680, prizmatické atd.). Bude rovněž nutné analyzovat dopad nových fluorovaných rozpouštědel na životní prostředí a právní předpisy, a to jak při jejich výrobě, tak při jejich recyklaci.
Význam tohoto zjištění spočívá v tom, že ukazuje, že limit lithiových baterií ještě zdaleka není dosažen zásahem do molekulární architektury jejich složek. Pokud by se potvrdila jejich škálovatelnost, jednalo by se o chybějící kousek k elektrifikaci odvětví, která byla dosud závislá výhradně na fosilních palivech kvůli jejich vysoké energetické hustotě: regionální letectví a letectví na krátké vzdálenosti, těžká doprava, stroje pro veřejné práce, pobřežní lodě a dokonce i část logistiky letecké nákladní dopravy.
Extrémní aplikace: od Arktidy po nízkou oběžnou dráhu
Kde tento typ baterií může mít hned od začátku význam, je extrémní prostředí. Polární mise, průzkum ledovců, vědecké přístroje ve vysokých horách nebo komunikační systémy v odlehlých oblastech dnes závisí na předimenzovaných bateriích a topných systémech, které spotřebovávají velkou část dostupné energie.
Baterie schopná udržet stovky Wh/kg při -50 °C by snížila hmotnost zařízení, zvýšila autonomii a zjednodušila konstrukci tepelných systémů. Armády již léta hledají řešení s vysokou hustotou energie a odolností vůči chladu pro přenosná zařízení, bezpilotní vozidla a senzory nasazené v drsných klimatických podmínkách.
Ve vesmíru je situace ještě náročnější. Družice na nízké oběžné dráze zažívají prudké tepelné cykly, když přecházejí z přímého slunečního světla do zemského stínu, přičemž teploty na exponovaných površích se mohou pohybovat od -150 °C do +150 °C. Přestože jsou baterie umístěny v částečně kontrolovaných prostorách, schopnost spolehlivě pracovat při velmi nízkých teplotách snižuje potřebu aktivních vyhřívacích systémů a zvyšuje celkovou účinnost mise.
Kombinace vysoké hustoty energie a odolnosti vůči chladu je navíc obzvláště atraktivní pro opakovaně použitelné nosné rakety, lunární moduly, marsovská vozítka nebo planetární sondy, kde lze každý kilogram ušetřený na bateriích využít pro větší vědecké zatížení nebo dodatečné zásoby paliva.
Jak tento průlomový objev zapadá do celosvětového závodu o baterie
Práce společnosti Nankai nevznikla ve vzduchoprázdnu. V posledních letech se zintenzivnil závod o „ultimátní baterii“ s návrhy od polovodičových baterií až po lithium-sírové nebo lithium-vzduchové baterie. Každá z nich slibuje vyšší hustotu energie, ale zároveň s sebou přináší značné technické problémy.
- Baterie v pevném stavu nahrazují kapalný elektrolyt pevným elektrolytem (keramickým nebo polymerním), což zvyšuje bezpečnost a umožňuje použití kovového lithia, ale trpí problémy s kontaktem elektrolytu s elektrodou a obtížemi při výrobě ve velkém měřítku.
- Lithium-sirné baterie teoreticky nabízejí velmi vysoké hustoty, ale síra se během cyklování rozpouští a migruje, což způsobuje rychlou degradaci (tzv. polysulfidový člun).
- Lithium-vzduchové baterie jsou závislé na reakcích se vzdušným kyslíkem, což představuje obrovské problémy v oblasti stability, účinnosti a bezpečnosti.
Proti těmto radikálnějším přístupům má přístup Nankai strategickou výhodu: zůstává v rámci lithium-iontových baterií, technologie, kterou průmysl zvládl a vyrábí v rozsahu stovek gigawatthodin ročně. Změna elektrolytu je sice složitá, ale neznamená to, že by bylo třeba od základu znovu vymyslet celý dodavatelský řetězec katodových a anodových materiálů.
Čína, která je již nyní světovou jedničkou ve výrobě baterií díky společnostem jako CATL, BYD nebo CALB, tak posiluje svou pozici nejen jako průmyslový gigant, ale také jako klíčový hráč v oblasti hraničního výzkumu. Skutečnost, že průlomový objev byl publikován v časopise Nature a že je výslovně zaměřen na vesmírné a high-tech aplikace, zapadá do strategie země, která chce dominovat jak ve výrobě, tak v oblasti duševního vlastnictví v oblasti skladování energie.
Výzvy do budoucna: bezpečnost, náklady a udržitelnost
Přesto je na místě určitá opatrnost. Historie baterií je plná laboratorních prototypů s velkolepými údaji, které se nikdy nedostaly na trh. Samotný článek v časopise Nature zdůrazňuje, že se jedná o experimentální články s relativně malou kapacitou a testované za velmi kontrolovaných podmínek.
Výzvy, které nás čekají, zahrnují:
- Tepelná a chemická bezpečnost: mnohá fluorovaná rozpouštědla jsou hořlavá nebo se mohou rozkládat na toxické sloučeniny, pokud jsou vystavena velmi vysokým teplotám nebo vlhkosti. Bude nutné prokázat, že nový elektrolyt nezvyšuje riziko požáru nebo uvolňování nebezpečných plynů ve srovnání se současnými uhličitany.
- Náklady na materiály: syntéza fluorovaných uhlovodíků je obecně dražší a složitější než syntéza běžných uhličitanů. Aby byla technologie konkurenceschopná v automobilovém průmyslu nebo spotřební elektronice, musí být náklady na kWh blízké nebo lepší než u současných baterií.
- Dlouhodobá životnost: životní cykly uvedené ve studii jsou slibné, ale stále ještě zdaleka nedosahují tisíců cyklů požadovaných výrobci elektromobilů (což odpovídá stovkám tisíc kilometrů).
- Dopad na životní prostředí a recyklace: masivní zavádění nových fluorovaných sloučenin vyžaduje posouzení jejich dopadu na životní prostředí, jejich přetrvávání v životním prostředí a možnosti jejich bezpečné a ekonomické recyklace.
Pokud se podaří tyto překážky překonat, mohl by se elektrolyt Nankai stát klíčovou součástí příští generace lithiových baterií, která by doplnila nebo dokonce konkurovala polovodičovým řešením a dalším novým chemickým látkám.
Co lze očekávat v příštích několika letech
V nejbližší době se tato technologie pravděpodobně uplatní nejprve ve výklencích s vysokou přidanou hodnotou, kde cena za kWh není tak důležitá jako extrémní výkon: malé satelity, vědecká zařízení, obrana, polární průzkum nebo prototypy elektrických letadel. Tato odvětví mohou absorbovat vyšší ceny výměnou za jasné výhody v oblasti hmotnosti, dojezdu a spolehlivosti.
Pokud bude výroba nových elektrolytů levnější a budou mít životnost srovnatelnou se současnými bateriemi, dalším logickým krokem bude jejich integrace do špičkových elektromobilů a později do sériových modelů. Souběžně by vyšší hustotu energie mohl využít průmysl spotřební elektroniky a nabídnout lehčí nebo vícedenní mobilní telefony a notebooky, aniž by se zvětšovala velikost baterií.
Zdá se však, že práce univerzity Nankai je jasným signálem: chemie lithia ještě neřekla své poslední slovo. Zdaleka není vyčerpaná, stále nabízí prostor pro hluboké inovace, pokud se k ní přistupuje v nejmenším možném měřítku, tedy v měřítku interakcí mezi atomy a molekulami.
Ve světě, který směřuje k masové elektrifikaci dopravy, dekarbonizaci průmyslu a rozšiřování digitální infrastruktury, má každý skok v hustotě energie a spolehlivosti baterií přímý dopad na ekonomiku, geopolitiku a každodenní život. A přinejmenším prozatím se tento skok odehrává v čínských laboratořích.
Chalupáři-Zahrádkáři|
Zdravestravovani.eu|
Cooky.cz|
Inregion.cz|
Techzpravy.cz|
FAJNTIP.cz|
adbz.cz|
Zprávy | Aktuálně.cz|
Světkreativity|
