Co vlastně ničí lithiové baterie
Léta platilo v oboru zdánlivě logické pravidlo: mikroskopické struktury rostoucí uvnitř baterie by se měly chovat jako měkký kov, z něhož jsou tvořeny. Tým z New Jersey Institute of Technology a Rice University teď dokazuje, že skutečnost je mnohem drsnější – a pocítí to každý majitel smartphonu i elektromobilu.
Moderní lithium-iontové baterie pohánějí telefony, notebooky, koloběžky a stále častěji také elektrická auta. Zvenku vypadají jako jednoduchý „blok", uvnitř však pracuje složitá soustava elektrod, separátorů a elektrolytu. Klíčový problém vzniká při nabíjení, kdy na povrchu anody začínají vyrůstat tenké kovové jehličky zvané dendrity.
Tyto struktury jsou stonásobně tenčí než lidský vlas. S každým nabíjecím cyklem se prodlužují, až nakonec dokážou prorazit separátor oddělující kladnou elektrodu od záporné. V baterii pak vzniká nekontrolovaná zkratová cesta pro elektrony – místo aby tekly vnějším obvodem přes telefon nebo motor, zvolí si zkratku uvnitř článku.
Baterie s proraženým separátorem se začne prudce zahřívat, ztrácí kapacitu a v krajním případě může dokonce vzplanout.
Každý rok končí život milionů akumulátorů právě kvůli takovým mikroskopickým poškozeními. Rozsah ztrát je obrovský: od zrychleného stárnutí telefonů až po nákladné reklamace baterií elektromobilů.
Dendrity nejsou měkké. Chovají se jako křehké sklo
Po celá desetiletí se v učebnicích opakovalo, že dendrity jsou pružné a měkké – stejně jako typický lithiový kov v celistvé podobě. Na tomto předpokladu stály téměř všechny strategie ochrany vysokokapacitních baterií. Problém byl, že se tyto struktury nikdo pořádně nepodíval „zblízka" v odpovídajícím měřítku.
Výzkumný tým z NJIT a Rice University se rozhodl to napravit doslova. Vědci použili pokročilý elektronový mikroskop a zkoumali jednotlivé dendrity ve vakuových podmínkách, aby lithium nestihlo zoxidovat při kontaktu se vzduchem. Poté je mechanicky zatěžovali a sledovali, jak reagují na tlak a ohýbání.
Výsledek překvapil i zkušené odborníky. Místo toho, aby se struktury ohýbaly jako měkký kovový drát, praskaly náhle a prudce – úplně jako suché špagety nebo křehká skleněná tyčka. Naměřené hodnoty pevnosti v tahu dosahovaly přibližně 150 megapascalů.
Pro srovnání: celistvé bloky lithia vydrží zhruba 0,6 megapascalu. Dendrity se ukázaly být přibližně 250krát mechanicky odolnější než „mateřský" kov.
Tento obrovský rozdíl znamená, že všechny dosavadní modely a ochranné prvky je třeba přezkoumat od základu. Separátor navržený s ohledem na měkké, snadno deformovatelné jehličky jednoduše prohraje střetnutí s tak tvrdým miniaturním „harpunem".
Proč je lithium tak tvrdé a křehké
Za neobvyklými vlastnostmi dendritů stojí tenká, téměř pouhým okem neviditelná vrstva oxidovaného lithia. Taková vrstva vzniká velmi rychle na povrchu kovu při kontaktu s elektrolytem. Má jen několik nanometrů, ale zásadně mění charakter celé struktury.
Měkké jádro z čistého lithia je tak „uzavřeno" v tvrdém chemickém obalu. Výsledkem je, že celá jehla se začne chovat jako křehký, ale tuhý nosník. Místo aby se ohýbala jako drát, zabodává se do překážek, a při silnějším zatížení se láme na úlomky.
Z hlediska fungování baterie to znamená dva různé problémy:
- ostřejší a tužší jehličky daleko snáze prorazí separátor a způsobí zkrat,
- po každém prasknutí zůstávají drobné kousky lithia, které ztratí elektrický kontakt s elektrodou.
Tyto oddělené částečky vědci výstižně nazvali „mrtvým lithiem". Kov je fyzicky stále přítomen v článku, ale už se nepodílí na procesu nabíjení a vybíjení. Kapacita klesá cyklus za cyklem, až má uživatel pocit, že se baterie „opotřebovala rychleji, než měla".
Lithiovo-kovová baterie: slibovaný dojezd 900 km na jedno nabití
V odvětví akumulátorů se již léta točí vize přechodu od stávajících grafitových anod na konstrukce z čistého lithia. Taková změna by mohla až trojnásobně zvýšit hustotu energie v článku. V praxi to znamená: elektromobil stejné velikosti by mohl reálně ujet ne 300, ale přibližně 900 kilometrů na jedno nabití.
Výrobci elektromobilů, společnosti ze sektoru spotřební elektroniky i provozovatelé úložišť energie do této technologie investují obrovské prostředky. Přesto se prototypy léta znovu a znovu rozbíjejí o stejný problém: dendrity ničí články dřív, než dosáhnou rozumné životnosti.
Nový výzkum vysvětluje, proč dokonce i „tužší" konstrukce, jako jsou baterie s pevným elektrolytem, stále prohrávají souboj s mikroskopickými lithiovými jehlami.
Pevné elektrolyty sice byly navrženy tak, aby byly tvrdší než kapalné, ukázalo se ale, že to stále nestačí. Pokud dendrit dosáhne pevnosti stokrát i vícekrát vyšší než celistvé kusy lithia, takovou bariérou bez problémů projede jako miniaturní demoliční kladivo.
Tři směry výzkumu, které mohou zachránit budoucí baterie
Tým z NJIT naznačuje tři konkrétní cesty, na nichž aktuálně pracuje. Všechny vycházejí z nového pohledu na dendrity jako na tuhé, křehké struktury.
1. Nové lithiové slitiny místo čistého kovu
První strategie vychází z předpokladu, že spoléhání na čisté lithium nestačí. Výzkumníci se pokoušejí vytvářet jeho slitiny s jinými prvky, které by mohly omezit tvorbu tvrdé oxidované vrstvy. Jde o takové složení anody, aby jehličky rostly pomaleji, měly jinou krystalickou strukturu a nevytvářely tak nebezpečné tvary.
Pro výrobce by to znamenalo změnu receptur a výrobních postupů, ale odměna je lákavá: možnost stavět lehké, kapacitní akumulátory bez drastického rizika vnitřních zkratů.
2. Separátory fungující jako mechanické tlumiče
Druhý směr se týká samotného srdce článku – separátoru. Tradičně byl vnímán jako pasivní, tenká membrána, která má být chemicky inertní a elektricky odolná. Inženýři se na něj nyní dívají spíše jako na miniaturní brnění schopné rozptylovat nárazy tvrdých jehel.
Zvažují se materiály schopné absorbovat mechanickou energii, podobně jako karoserie v zóně řízeného smačknutí. Namísto toho, aby se nechaly prorazit, takový separátor by se měl lokálně deformovat a rozložit sílu tlaku dendritů na větší plochu.
3. Přísady do elektrolytu, které „kazí" geometrii dendritů
Třetí cesta se týká chemie elektrolytu. Vědci testují přísady, které při nabíjení mění způsob, jakým se lithium usazuje na anodě. Cílem je změna tvaru vzniklých struktur: místo protáhlých jehliček – zaoblenější, kompaktnější formy, méně nebezpečné pro separátor.
Pokud se podaří donutit lithium k růstu v podobě tlustých, nepravidelných ostrůvků, šance na proražení mechanické bariéry výrazně klesá. Zároveň se snižuje množství „mrtvého lithia" hromadícího se v článku.
Proč to trvalo tak dlouho zjistit
Celý příběh je lekcí pokory pro aplikovanou vědu. Po léta vědci budovali složité modely a simulace opírající se o jeden jediný, nikdy přímo neověřený předpoklad: že mikroskopické lithium se mechanicky chová stejně jako velký kus kovu.
Teprve možnost pozorovat struktury v nanometrovém měřítku, v kontrolovaném vakuu, umožnila tuto tezi ověřit v praxi. Jakmile snímky z mikroskopu a měření tvrdosti přistály na stole, ukázalo se, že celý výzkumný obor vyžaduje korekci kurzu.
| Parametr | Lithium v celistvé formě | Dendrit lithia |
|---|---|---|
| Přibližná mechanická pevnost | ~0,6 MPa | ~150 MPa |
| Chování pod tlakem | měkké, snadno deformovatelné | tuhé, křehké, praská bez ohnutí |
| Vliv na separátor | snáze se deformuje | proráží membránu jako čepel |
Co to znamená pro uživatele a trh s elektromobily
Z pohledu běžného uživatele telefonu se výsledky tohoto souboje odehrávajícího se v nanometrovém měřítku projevují prostým pozorováním: baterie vydrží stále kratší dobu, aplikace rychleji „ujídají" procenta a po dvou třech letech zařízení zřetelně volá po výměně.
Pro automobilový průmysl jsou ale sázky mnohem vyšší než pouhé pohodlí. Na tom, zda se podaří dendrity zkrotit, závisí:
- reálný dojezd elektromobilů na jedno nabití,
- cena baterií a délka záruky,
- bezpečnost provozu v náročných podmínkách (horko, rychlé nabíjení, velká zatížení),
- rentabilita úložišť energie spolupracujících s fotovoltaikou a větrými farmami.
Pokud nový přístup k navrhování materiálů přinese výsledky, lze očekávat nejen další prodlužování dojezdu vozidel, ale i postupné mizení strachu ze „stárnutí baterie" – dnes jednoho z hlavních argumentů skeptiků elektromobility.
Pro spotřebitele je praktický závěr jediný: tempo změn v technologii akumulátorů může výrazně zrychlit. Většina uživatelů dnes bere jako fakt, že po pár letech vymění telefon nebo se obává poklesu hodnoty elektromobilu kvůli opotřebení baterie. Výzkum tvrdých dendritů otevírá cestu k zařízením, která si udrží výkon déle a budou mnohem méně náladová při každodenním nabíjení – včetně nabíječek vysokého výkonu.
