Americký výzkumný tým poprvé změřil mechanické vlastnosti mikroskopických útvarů rostoucích uvnitř lithiových akumulátorů. Ukázalo se, že drobné lithiové jehlice nejsou měkké a ohebné, ale pevné a křehké jako sklo nebo suchá špagheta.
Tento jediný detail obrací naruby zavedené strategie navrhování baterií do smartphonů a elektromobilů. Objevy vědců z New Jersey Institute of Technology a Rice University mění pohled na to, proč baterie ztrácejí kapacitu a v extrémních případech dokonce hoří.
Standardní lithium-iontová baterie, jakou máš v telefonu nebo elektromobilu, obsahuje dvě elektrody oddělené tenkou izolační vrstvou – separátorem. Během nabíjení začínají na povrchu lithiové anody vyrůstat mikroskopické jehlice zvané dendrity. Mají tloušťku až stokrát menší než lidský vlas.
Tyto struktury rostou s každým nabíjecím cyklem. Když se prodlouží natolik, že prorazí separátor, vytvoří vnitřní zkrat pro elektrony. Místo aby procházely vnějším obvodem, běží náboj přímo z jedné elektrody na druhou. Následuje vnitřní zkrat, prudké zahřátí, pokles kapacity, a v krajním případě požár nebo exploze baterie. Odhaduje se, že takové postupné poškození postihuje ročně miliony akumulátorů. Výrobci většinou problém maskují záložní kapacitou a agresivními bezpečnostními systémy, ale fyzikální zákony se nedají natrvalo oklamat.
Proč vědci desetiletí věřili, že dendrity jsou měkké
Po mnoho let se předpokládalo, že dendrity jsou stejně plastické jako běžný lithium v podobě kompaktního kovu. Zdálo se logické, že když z něj vznikají, měly by mít podobné vlastnosti. Na tomto základě se vypracovávaly celé strategie ochrany baterií – od nových elektrolytů po zesílené separátory.
Tým z New Jersey Institute of Technology a Rice University se rozhodl tuto pohodlnou tezi experimentálně ověřit. Použili pokročilý elektronový mikroskop pracující ve vakuu, aby eliminovali vliv kyslíku a vlhkosti. Vědci doslova ohýbali jednotlivé dendrity a měřili jejich reakci na zatížení.
Obraz, který uviděli, neodpovídal učebnicím. Místo plynulého deformování se lithiové jehlice najednou lámaly, bez předchozího ohnutí. Dendrity se chovají jako křehké, pevné mikrojehlice, nikoli jako měkký, ohebný kov.
Vysvětlení, proč baterie v telefonu i elektromobilu Tesla tak snadno proráží ochrannou vrstvu, je konečně na světě. Nové poznatky ukazují, že dosavadní přístupy k ochraně akumulátorů vycházely z chybného předpokladu o vlastnostech materiálu.
Jak křehké mikrostruktury mění pravidla hry pro elektromobily
Celá tato historie nabývá na významu, když se podíváme na technologii lithium-metalových baterií. V tomto řešení anoda z grafitu ustupuje čistému lithiu. V praxi by to znamenalo až trojnásobně větší hustotu energie. Elektromobil by mohl ujet ne 300, ale 800 až 900 kilometrů na jedno nabití, bez zvětšování baterie.
Zní to jako svatý grál elektromobility. Není divu, že koncerny vynakládají na výzkum miliardy dolarů. Problém je v tom, že právě v takových bateriích jsou dendrity nejnebezpečnější – vyrůstají rychleji a ve větším počtu než v klasických lithium-iontových akumulátorech.
V nových experimentech změřili mechanickou pevnost dendrytů. Výsledek překvapil i samotné výzkumníky: asi 150 megapascalů, při pouhých 0,6 megapascalu pro kompaktní lithium. Mluvíme tedy o strukturách více než 200krát tvrdších než materiál, z něhož vznikají.
Odkud tak obrovský rozdíl? Klíčová je ultratenká oxidovaná vrstva, která se na povrchu jehlic vytvoří doslova ve zlomku sekundy. Má pouze několik nanometrů tloušťky, ale úplně mění chování materiálu – z měkkého kovu vzniká tvrdá, křehká struktura připomínající keramiku. Vědci z Rice University použili speciální nanomanipulátor uvnitř transmisního elektronového mikroskopu, aby mohli pozorovat zlomy v reálném čase.
Co je mrtvé lithium a proč krade kapacitu baterie
Pevnost dendrytů má ještě jeden, stejně závažný důsledek. Když taková jehlice praskne, nevrací se k elektrodě, ale rozláme se na kousky. Tyto fragmenty přestávají vést proud, zůstávají uvězněny v elektrolytovém „bahně“ uvnitř baterie.
Vědci tyto zbytky nazývají mrtvým lithiem – materiál je stále uvnitř článku, ale neúčastní se reakce, takže nedává žádnou energii. Každý cykl nabíjení a vybíjení generuje další úlomky. Postupem času klesá množství aktivního lithia a kapacita baterie se snižuje o desítky procent.
Uživatel to vnímá jako stále kratší dobu provozu smartphonu Samsung nebo iPhone, případně menší dojezd elektromobilu Volkswagen ID.4 nebo BMW iX. Článek fyzicky není opotřebený, ale velká část materiálu se stává elektrochemicky nepoužitelnou. Producenti jako LG Chem, Panasonic nebo CATL se s tímto problémem potýkají při vývoji každé nové generace článků.
Jaké strategie mohou zastavit růst nebezpečných jehlic
Současné koncepce superbezpečných akumulátorů se často opírají o takzvané pevné elektrolyty. V teorii by měl být takový materiál odolnější než kapalina a blokovat růst dendrytů jako pancíř. Nejnovější výsledky však naznačují, že to nestačí.
Pokud je jehlice z lithia tvrdší než většina polymerů či některých keramik, může se postupně zařezávat i do tuhého materiálu. Je to trochu jako u velmi ostré ocelové jehly pronikající zdánlivě pevnou gumu. Tým z NJIT naznačuje tři možné směry dalších prací:
- Nové slitiny lithia s příměsí jiných prvků pro omezení vzniku pevné oxidované vrstvy
- Separátory s pružnou strukturou schopné částečně absorbovat mechanické napětí
- Přísady do elektrolytů kontrolující krystalickou strukturu čerstvě vznikajících dendrytů
- Kompozitní materiály kombinující polymery s keramickými částicemi pro vyšší pevnost
- Ochranné vrstvy na anodě bránící nekontrolovanému růstu mikrostruktur
- Pokročilé aditivy ze skupiny fluorovaných solí zpomalující reakce na povrchu lithia
Taková řešení mohou zajistit, že budoucí baterie s vysokou hustotou energie budou nejen kapacitněji, ale také výrazně trvanlivější a méně náchylné k prudkým poruchám. Výrobci elektromobilů jako Tesla, General Motors nebo Hyundai právě na tento typ průlomu čekají, protože od bezpečnosti a životnosti článků závisí ekonomická životaschopnost celé transformace dopravy.
Univerzity jako Stanford, MIT a Technická univerzita v Mnichově intenzivně spolupracují s průmyslovými partnery na nových typech ochranných vrstev. Výzkumníci zkoušejí i nanočástice oxidu hlinitého, nitridu boru nebo grafenu jako bariéry proti pronikání dendrytů.
Co tyto objevy znamenají pro fotovoltaiku a ukládání energie
Kdyby se podařilo plně zkrotit dendrity, mohly by se lithium-metalové akumulátory stát standardem ve vozidlech s dojezdem srovnatelným – nebo větším – než klasická spalovací auta. Pro průměrného řidiče by to znamenalo nabíjení jednou za několik dní místo každodenního, a menší obavy před delšími trasami.
Takové články by se hodily také v úložištích energie pro fotovoltaiku nebo větrné farmy. Tam se počítá každá další kilowatthodina nacpaná v jedné skříni baterií a počet cyklů, které sestava vydrží bez výměny. Trvanlivější a stabilnější akumulátory by mohly snížit náklady na skladování elektřiny z obnovitelných zdrojů – což je jedna z hlavních výzev energetické transformace.
Společnosti jako Fluence, NextEra Energy Storage nebo čínská BYD staví velkokapacitní bateriové parky po celém světě. V Kalifornii, Jižní Austrálii i v Evropě rostou projekty schopné uložit stovky megawatthodin. Pokročilejší technologie by výrazně zvýšily jejich rentabilitu a urychlily přechod na čistou energii.
Proč jedno chybné předpoklad zpomalil pokrok na roky
Příběh dendrytů ukazuje, jak nebezpečné bývá příliš pohodlné přijímání domněnky, že se „určitě chovají stejně jako celek kovu“. Po léta se spoléhalo spíše na intuici než na tvrdá měření v nanometrovém měřítku. Laboratoře investovaly do řešení přizpůsobených nesprávnému obrazu problému, což zpomalovalo skutečný pokrok.
Zkoumání mechaniky materiálů v nanoměřítku nepatří mezi snadné ani levné úkoly. Vyžaduje komplikovanou aparaturu, vakuum, precizní manipulátory. Přesto se takové práce začínají vyplácet: jeden dobře provedený experiment dokáže změnit směr celého odvětví, od návrhářů článků po automobilové firmy.
Pro koncového uživatele tato změna perspektivy znamená především jedno – reálnou šanci, že za několik let přestanou baterie v telefonech, noteboocích a autech připomínat rychlé opotřebení a strach ze samovznícení. Místo toho se stanou předvídatelným, dlouhověkým prvkem každodenní infrastruktury – není to povzbuzující vyhlídka pro tvou budoucnost s technikou?
