Co mají společného jeskyně a baterie? Odstartuje průkopnický výzkum cestu k revolučním bateriím s dlouhodobou životností?

Mobilní telefony, aku nářadí, elektromobily… na dobíjecí baterie spoléhá čím dál více každodenních přístrojů a zařízení. Citlivost využívaných Li-ion baterií na mechanické namáhání však přináší také bezpečnostní problémy a narůstající případy požárů. Jako řešení se jeví baterie, které tekuté elektrolytické jádro nahrazují pevným materiálem, například keramické iontové vodiče. Půjde o technologii, která promění svět a nastaví směr budoucí elektromobility?

Ilustrační foto: Jeskyně s krápníky, zdroj: Pixabay.com

Převratné baterie, které změní svět?

Zatímco klasické Li-ion (lithium-iontové) baterie jsou velmi hořlavé a obsažené lithium má navíc schopnost samovznícení,  tzv. solid-state battery (polovodičové baterie s pevném jádrem) nehoří a nemůžou vybuchnout, protože elektrolyt je nehořlavý. Navíc jsou odolné vůči teplotním výkyvům, vykazují vysokou mechanickou pevnost a snadno se miniaturizují.

Nejsou jen bezpečnější, polovodičové baterie jsou také ve srovnání s Li-ion bateriemi méně náročné na výrobu, výkon dosahují s nižším množstvím hmotnosti, a tím i materiálu. Mají však jeden zásadní problém. Uvnitř baterie roste spojení mezi kladným a záporným pólem podobně jako krápníky v jeskyni.

Ze země rostou v jeskyni do výšky stalagmity, ze stropu zase dolů stalaktity, až se spojí v tzv. stalagnát. Polovodičové baterie sice nemají horní a spodní část, ale s každým dobíjením rostou  od jednoho pólu k druhému jako tzv. dendrity, až se po několika cyklech nabíjení a vybíjení zcela spojí. Původně elektricky oddělené póly srostou, baterie zkratuje a „umírá“. To je také důvod, proč se baterie s pevným elektrolytem zatím nevyužívají plošně, přestože jsou známé prakticky již od počátku devatenáctého století.

Co se děje uvnitř baterie?

Dobíjecí přístroje a zařízení poháněné bateriemi jsou sice nedílnou součástí života, procesy vedoucí ke zkratu polovodičových baterií však doposud nejsou zcela objasněny. Proto se také dovnitř baterie podíval pomocí speciální mikroskopické metody tým vedený Rüdigerem Bergerem z oddělení Hanse-Jürgena Butta na Max Planckově institutu v Německu./1,2/

Ve studii, nedávno publikované v magazínu Nature, vědci zkoumali, kde a jak roste spojení pólů baterie. Našli přitom v pevném elektrolytu tzv. hranice zrn, ve kterých dochází k náhodným fluktuacím v jinak symetrických krystalech. Postupně se tam vytvářejí čárové struktury./1/

Čárové struktury se vyskytují zejména v blízkosti záporného pólu. Vědci dokonce odhalili, že dendrity začínají růst vždy jen na záporném pólu. Přestože růstové procesy ještě stále nejsou zcela pochopeny, výzkum přibližuje účinné způsoby, jak zabránit spojení pólů a zkratu baterie. Nyní už víme, že pokud mají polovodičové baterie uspět v praktickém využití, je třeba se zaměřit na záporný pól.

Další miliardy možností, zatím jen teoretických

Existuje více než 40 miliard teoretických možných kombinací elektrolytů a materiálů pólů baterie. Výzkumná skupina z Helmholtzova institutu v Ulmu do výběru vhodných materiálů, které by eliminovaly problém s tvorbou dendritů, typický pro lithiové polovodičové baterie, zapojuje umělou inteligenci. Samsung pro hledání pohonu elektromobilů například experimentuje s anodami ze stříbra a uhlíku./3/

Čeští vědci z Fyzikálního ústavu a Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd baterie vyrábí z vody, zinku a uhlíku. Ty se sice nehodí pro malá a mobilní zařízení, zato by mohly mít velký potenciál ve skladování ve fotovoltaice./5/ Tyto i další bezpečné a levné baterie s dlouhodobou životností sice již úspěšně fungují v laboratořích, jejich aplikace do výrobní praxe se však zatím nepodařila. Snad se toho brzy dočkáme.

O ČLÁNKU: Co mají společného jeskyně a baterie? Odstartuje průkopnický výzkum cestu k revolučním bateriím s dlouhodobou životností?

Ondra Musil

Jsem cestovatel, nadšenec, objevovatel. Kočky mám rád, ale jsem především milovník psů, venčení a výletů. Více než redaktor jsem amatérský fotograf, který se pochopitelně zajímá o vědu a techniku, nové technologie, ale i celý vesmír. Proto jsem tady.

_{DALŠÍ ČLÁNKY AUTORA}

• Česká věda opět ukazuje světu, jak na to, tentokrát v oblasti vodíkové dopravy
• Webbův teleskop zachytil mizející galaxii. Nabízí pohled do prvopočátku celého vesmíru
• Epické snímky Webbova teleskopu zachycují prstence Uranu jasněji než kdy předtím
• Halleyova kometa se právě otáčí. Konečně startuje 38 let trvající cestu zpět k Zemi
• Vědci se spletli. Nové výpočty upravují velikost Slunce a nutí k přehodnocení poznatků

_{VŠECHNY ČLÁNKY AUTORA}

Nová vědecká stavebnice byla vyvinuta s vědci Botanického ústavu AV ČR

Etika biobankingu v záchraně druhů

Každý přemýšlí, většinou až moc. Psychiatr nabízí jednoduchý trik, jak se zatěžujících myšlenek zbavit

Radost do života můžete vnést snadno a rychle hned teď. Stačí si položit jednu jedinou otázku

Česká věda opět ukazuje světu, jak na to, tentokrát v oblasti vodíkové dopravy

Lesy ČR staví nové útulny. Poutníci Českem jich potkají hned dvacet

POZNÁTE JE? POZNÁTE MLÁDĚ NA OBRÁZKU?

Norway Timelapse

KDO TO JE?

Norway Timelapse

KDO TO JE?

Norway Timelapse

KDO TO JE?

NEJNOVĚJŠÍ DOBRÉ ZPRÁVY

Facebook