Americký vědecký tým poprvé prozkoumal mechanické vlastnosti mikroskopických struktur, které vznikají uvnitř lithiových akumulátorů. Zjištění mění vše, co jsme si dosud mysleli o designu baterií.
Standardní lithium-iontový akumulátor v telefonu nebo elektromobilu obsahuje dvě elektrody oddělené tenkou izolační vrstvou – separátorem. Během nabíjení začínají na povrchu lithiové anody růst mikroskopické jehličky, kterým vědci říkají dendrity. Jejich tloušťka je až stokrát menší než průměr lidského vlasu.
Tyto struktury rostou s každým nabíjecím cyklem. Když se prodlouží natolik, že proniknou separátorem, vytvoří vnitřní zkrat pro elektrony. Namísto proudění vnějším obvodem běží náboj přímo z jedné elektrody na druhou. Výsledkem je vnitřní zkrat, rychlé zahřívání, pokles kapacity a v krajním případě požár nebo exploze baterie.
Odhaduje se, že takové postupné poškození postihuje ročně miliony akumulátorů. Výrobci nejčastěji maskují problém záložní kapacitou a agresivními bezpečnostními systémy, ale fyzikální zákony se nedají podvádět donekonečna.
Všichni se mýlili – dendrity vůbec nejsou měkké
Posledních několik let se předpokládalo, že dendrity jsou stejně plastické jako čistý lithium v pevném stavu. Zdálo se logické: když z něj vznikají, měly by mít podobné vlastnosti. Na tomto základě se vytvářely celé strategie ochrany baterií – od nových elektrolytů po zesílené separátory.
Tým z New Jersey Institute of Technology a Rice University se rozhodl tuto pohodlnou hypotézu 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 spatřili, neseděl do učebnic. Místo plynulé deformace se lithiové jehly náhle lámaly, bez předchozího ohnutí. Dendrity se chovají jako křehké, tuhé mikrojehlice, ne jako měkký, ohebný kov.
Změřená pevnost v tahu dosáhla přibližně 150 megapascalů, zatímco pevný lithium má pouhých 0,6 megapascalu. Mluvíme tedy o strukturách více než dvěstěkrát tvrdších než materiál, z něhož vznikají. Odkud tak obrovský rozdíl? Klíčová je ultratenko vrstva oxidu, která se tvoří na povrchu jehel doslova během zlomku sekundy.
Proč lithiové baterie ztrácejí kapacitu a mohou hořet
Vědci z Ameriky identifikovali několik klíčových problémů souvisejících s dendrity:
- Mikroskopické lithiové jehly pronikají separátorem a vytváří vnitřní zkraty
- Během každého nabíjení dendrity rostou a stávají se delšími
- Oxid na jejich povrchu mění vlastnosti materiálu z měkkého na křehký
- Odlomené úlomky vytvářejí takzvaný mrtvý lithium uvnitř baterie
- Mrtvý lithium už nepřispívá k chemické reakci, ale zůstává v elektrolytu
- S každým cyklem klesá množství aktivního lithia a tím i celková kapacita
- Elektromobily postupně ztrácejí dojezd, smartphony výdrž na jedno nabití
Každý nabíjecí cyklus generuje další úlomky. Postupem času množství aktivního lithia klesá a kapacita baterie se snižuje o desítky procent. Uživatel to vnímá jako stále kratší provozní dobu telefonu nebo menší dojezd elektromobilu. Článek fyzicky není opotřebený, ale velká část materiálu se stává elektrochemicky nepoužitelnou.
Nanometrová vrstva má pouhých několik nanometrů tloušťky, ale zcela mění chování materiálu – z měkkého kovu vzniká tvrdá, křehká struktura připomínající keramiku. Tato zjištění publikovali výzkumníci z univerzit v New Jersey a v texaském Houstonu.
Trojnásobný dojezd auta blokuje fyzika dendritu
Celý tento příběh nabývá na významu, když se podíváme na technologii lithium-metalových baterií. V tomto řešení grafitová anoda ustupuje čistému lithiu. V praxi by to znamenalo až trojnásobně vyšší hustotu energie. Elektromobil by mohl ujet ne tři sta, ale osm set až devět set kilometrů na jedno nabití, bez zvětšování baterie.
Zní to jako svatý grál elektromobility. Nic divného, že koncerny investují do výzkumu miliardy dolarů. Problém je v tom, že právě v takových bateriích jsou dendrity nejnebezpečnější – vyrostou rychleji a ve větším počtu než v klasických lithium-iontových akumulátorech.
Výzkumníci z NJIT naměřili mechanickou pevnost, která překvapila i samotné badatele. Tuhé mikrostruktury dokážou snadno prorazit separátor i některé polymerní či keramické materiály. To vysvětluje, proč současné koncepty se solidními elektrolity nestačí.
Pokud je jehlička z lithia tvrdší než většina polymerů nebo některých keramik, může postupně penetrovat i do tuhého materiálu. Je to trochu jako s velmi ostrou ocelovou jehlou pronikající zdánlivě pevnou gumou. Tým z New Jersey Institute of Technology pracuje na třech možných směrech dalšího vývoje.
Nový pohled na baterie – materiály musí odolat tvrdým jehlám
Současné koncepce superbezpečných akumulátorů se často opírají o takzvané pevné elektrolity. V teorii by takový materiál měl být odolnější než kapalina a blokovat růst dendritu jako pancíř. Nejnovější výsledky však naznačují, že to nestačí.
Vědci naznačují tři možné směry dalších prací. První je vývoj nových slitin lithia – přimíchání jiných prvků, aby se omezilo vytváření tuhé oxidové vrstvy a změnil se způsob růstu jehel. Druhým směrem jsou separátory s pružnou strukturou, které nejsou jen pevnější, ale dokážou částečně absorbovat mechanické napětí.
Třetí cestou jsou přísady do elektrolytu – chemické sloučeniny kontrolující krystalickou strukturu čerstvě vznikajících dendritu, aby rostly pomaleji nebo bezpečnějším směrem. Taková řešení mohou způsobit, že budoucí baterie s vysokou hustotou energie budou nejen kapacitněji, ale také výrazně trvanlivější a méně náchylné k náhlým poruchám.
Producenti elektromobilů čekají právě na tento typ průlomu, protože od bezpečnosti a životnosti článků závisí rentabilita celé transformace dopravy. Výzkumníci z Rice University připomínají, že jeden dobře provedený experiment dokáže změnit směr celého odvětví.
Co to znamená pro elektromobily a energetiku
Kdyby se podařilo plně zkrotit dendrity, lithium-metalové akumulátory by se mohly stát standardem ve vozidlech s dojezdem srovnatelným – nebo větším – než klasická spalovací auta. Pro průměrného řidiče by to znamenalo nabíjení jednou za několik dní, ne každý den, a menší strach z delších tras.
Takové články by se hodily také do úložišť energie pro fotovoltaiku nebo větrné farmy. Tam se počítá každá další kilowatthodina nacpaná v jedné skříni s bateriemi a počet cyklů, které sestava vydrží bez výměny. Trvanlivější a stabilnější akumulátory by mohly snížit náklady na ukládání elektřiny z obnovitelných zdrojů – což je jedna z hlavních výzev energetické transformace.
Pro koncového uživatele tato změna perspektivy znamená hlavně jedno – reálnou šanci, že za několik let baterie v telefonech, noteboocích a automobilech přestanou být spojované s rychlým opotřebením a strachem ze samovznícení. Místo toho se stanou předvídatelným, dlouhověkým prvkem každodenní infrastruktury. Máš zkušenost s rychlým poklesem kapacity baterie ve svém smartphonu nebo elektrokole?
