Vědci odhalují, proč lithiové baterie tak rychle ztrácejí výkon

Proč lithiové baterie přicházejí o kapacitu a mohou hořet

Američtí vědci poprvé detailně prozkoumali mechanické vlastnosti mikroskopických struktur vznikajících uvnitř lithiových baterií. Výsledek překvapil celý obor: drobné lithiové jehlice nejsou měkké ani tvárné, ale tuhé a křehké — podobně jako sklo nebo suché špagety. Tento jediný poznatek obrací zavedené přístupy k vývoji akumulátorů pro smartphony i elektromobily zcela naruby.

Jak dendrity ničí baterie zevnitř

Klasická lithium-iontová baterie — ať už v telefonu, nebo v elektrickém autě — obsahuje dvě elektrody oddělené tenkou izolační vrstvou zvanou separátor. Během nabíjení začínají na povrchu lithiové anody vyrůstat mikroskopické jehlice označované jako dendrity. Jejich tloušťka může být až stokrát menší než průměr lidského vlasu.

Tyto struktury rostou s každým nabíjecím cyklem. Jakmile se prodlouží natolik, aby prorazily separátor, vytvoří uvnitř baterie zkrat. Elektrický náboj pak místo vnějšího obvodu proudí přímo z jedné elektrody na druhou.

Důsledek: vnitřní zkrat, prudké zahřívání, pokles kapacity a v krajním případě požár nebo výbuch baterie.

Odhaduje se, že taková postupná poškození se každoročně týkají milionů akumulátorů. Výrobci tento problém nejčastěji maskují rezervní kapacitou a agresivními bezpečnostními systémy — ale fyzikální zákony nelze obcházet donekonečna.

Celý obor se mýlil: dendrity vůbec nejsou „měkké"

Dlouhá léta se předpokládalo, že dendrity jsou stejně tvárné jako běžné lithium v pevné formě. Logika se zdála přesvědčivá: vznikají z něj, takže by měly mít podobné vlastnosti. Na tomto základě vznikaly celé strategie ochrany baterií — od nových elektrolytů po zpevněné separátory.

Tým z New Jersey Institute of Technology a Riceovy univerzity se rozhodl tuto pohodlnou tezi ověřit experimentálně. Použili pokročilý elektronový mikroskop pracující ve vakuu, aby eliminovali vliv kyslíku a vlhkosti. Vědci doslova „ohýbali" jednotlivé dendrity a měřili jejich reakci na mechanické zatížení.

To, co viděli, neodpovídalo učebnicím. Místo plynulé deformace se lithiové jehlice lámaly náhle, bez jakéhokoli předchozího ohybu.

Lithiové dendrity se chovají jako křehké, tuhé mikrojehlice — nikoli jako měkký a poddajný kov. Právě proto tak snadno proráží separátor.

Trojnásobně větší dojezd? Zatím to blokuje fyzika

Celá tato otázka nabývá zásadního významu, podíváme-li se na technologii lithiovo-kovových baterií. V tomto řešení nahrazuje grafitovou anodu čisté lithium. V praxi by to znamenalo až trojnásobně vyšší hustotu energie. Elektromobil by ujel nikoli 300, ale 800 až 900 kilometrů na jediné nabití — bez zvětšení baterie.

Zní to jako svatý grál elektromobility. Není divu, že automobilky investují do výzkumu miliardy. Jenže právě v těchto bateriích jsou dendrity nejnebezpečnější — rostou rychleji a ve větším počtu než v klasických lithium-iontových akumulátorech.

V nových experimentech vědci změřili mechanickou pevnost dendritu. Výsledek překvapil i samotné výzkumníky: přibližně 150 megapascalů oproti pouhým 0,6 megapascalu u pevného lithia. Jde tedy o struktury více než 200krát pevnější než materiál, ze kterého vznikají.

Kde se bere tak obrovský rozdíl? Klíčem je ultratence oxidovaná vrstva, která se na povrchu jehlic tvoří doslova za zlomek sekundy. Má tloušťku pouhých několika nanometrů, ale zcela mění chování materiálu — z měkkého kovu vzniká tvrdá, křehká struktura připomínající keramiku.

„Mrtvé lithium" — neviditelný zloděj kapacity

Křehkost dendritu má ještě jeden stejně závažný důsledek. Když se taková jehlice zlomí, nevrátí se zpět k elektrodě, ale odlomí se na kousky. Tyto fragmenty přestávají vést elektrický proud a zůstávají uvězněny v elektrolytickém „bahně" uvnitř baterie.

Vědci tyto zbytky nazývají „mrtvým lithiem" — materiál je stále uvnitř článku, ale neúčastní se reakce, takže neposkytuje žádnou energii.

Každý nabíjecí a vybíjecí cyklus generuje další úlomky. Postupem času množství aktivního lithia klesá a kapacita baterie se snižuje o desítky procent. Uživatel to vnímá jako stále kratší výdrž smartphonu nebo stále menší dojezd auta. Článek fyzicky není „opotřebovaný", ale velká část materiálu se elektrochemicky stává bezcennou.

Nový pohled na baterie: materiály musí odolat tvrdým jehličkám

Současné koncepty superspolehlivých akumulátorů se často opírají o tzv. tuhé elektrolyty. V teorii by takový materiál měl být odolnější než kapalina a blokovat růst dendritu jako pancíř. Nejnovější výsledky však naznačují, že to nestačí.

Pokud je lithiová jehlice tvrdší než většina polymerů nebo některé keramiky, může postupně pronikat i do tuhého materiálu. Je to trochu jako velmi ostrá ocelová jehla propichující zdánlivě pevnou gumu.

Tým z NJIT navrhuje tři možné směry dalšího výzkumu:

• Nové lithiové slitiny — legování jinými prvky s cílem omezit tvorbu tuhé oxidované vrstvy a změnit způsob růstu jehlic.
• Separátory s „pružnou" strukturou — takové, které jsou nejen pevnější, ale dokážou také částečně absorbovat mechanická napětí místo okamžitého prasknutí.
• Přísady do elektrolytu — chemické sloučeniny řídící krystalickou strukturu čerstvě vznikajících dendritu tak, aby rostly pomaleji nebo v bezpečnějším směru.

Taková řešení by mohla zajistit, že budoucí baterie s vysokou hustotou energie budou nejen kapacitně výkonnější, ale také výrazně trvanlivější a méně náchylné k náhlým poruchám. Výrobci elektromobilů právě na takový průlom čekají — bezpečnost a životnost článků totiž rozhoduje o ekonomické životaschopnosti celé dopravní transformace.

Co to znamená pro elektromobily a energetiku

Pokud by se podařilo dendrity plně zvládnout, mohly by se lithiovo-kovové akumulátory stát standardem ve vozidlech s dojezdem srovnatelným — nebo i větším — než mají klasická spalovací auta. Pro průměrného řidiče by to znamenalo nabíjení jednou za několik dní místo každodenního, a menší obavy z delších tras.

Takové články by se hodily také v úložištích energie pro solární panely nebo větrné farmy. Tam záleží na každé dodatečné kilowatthodině uložené v jednom rozvaděči baterií i na počtu cyklů, které sestava zvládne bez výměny. Trvanlivější a stabilnější akumulátory by mohly snížit náklady na ukládání elektřiny z obnovitelných zdrojů — a to je jedno z hlavních výzev energetické transformace.

Proč jedno chybné předpoklady zabrzdilo pokrok na celá léta

Příběh s dendrity ukazuje, jak nebezpečné je pohodlně přijímat, že se něco „chová stejně jako celý kov". Dlouhá léta se vědci opírali spíše o intuici než o přesná měření v nanoměřítku. Laboratoře investovaly do řešení přizpůsobených nesprávnému obrazu problému, což reálný pokrok výrazně zpomalovalo.

Studium mechaniky materiálů v nanoměřítku není ani snadné, ani levné. Vyžaduje složité přístroje, vakuum a precizní manipulátory. Přesto se takové práce začínají vyplácet: jeden dobře provedený experiment dokáže změnit směr celého odvětví — od konstruktérů článků až po automobilové společnosti.

Pro koncového uživatele tato změna perspektivy znamená především jedno — reálnou šanci, že za několik až několik desetiletí baterie v telefonech, laptopech a autech přestanou být spojovány s rychlým opotřebením a strachem ze samovznícení a stanou se předvídatelnou, dlouhověkou součástí každodenní infrastruktury.