Představte si, že by váš smartphone vydržel na jedno nabití celý týden. Elektrické auto by na jedno nabití dojelo z Říma do Osla. Nabíjení by trvalo minuty, nikoli hodiny. Bezpilotní letouny by ve vzduchu vydržely půl dne.
Všechny tyto představy jsou nyní z říše snů, a to kvůli limitům dnes dostupných akumulátorů. Jde o jedno z hlavních omezení rozmachu současných mobilních zařízení. I malé vylepšení kapacity baterií, třeba o polovinu, by mělo ohromné dopady. Proto se korporace i vědci po celém světě snaží o revoluci v oblasti baterií.
Prezident Obama předává Johnovi Goodenoughovi nejvyšší americké ocenění pro vědce a vynálezce
Nyní je na stole nový návrh. Na první pohled ztřeštěný, dalo by se říci. Slibuje totiž těžko uvěřitelné, pětinásobné zlepšení. Jenže za touto vědeckou prací stojí tým z Texaské univerzity pod vedením profesora Johna Goodenough. Což je člověk, který o bateriích něco málo ví. Jeho Li-ion baterky, u jejichž vývoje v 80. letech minulého století stál, máte nejspíš v telefonu i vy.
„Chtěl bych, aby si o mně chemikové mysleli, že jsem chemik, ale bojím se, že by mě označili za fyzika. Zato fyzikové mě mají za chemika,“ všiml si John Goodenough, držitel prestižní Národní mediale vědy. On sám se definuje jako „vědec zabývající se pevnými materiály“ (solid-state scientist), a právě v pevném skupenství údajně spočívá hlavní inovace jeho nové generace lithiových baterií.
Legendární otec moderních baterií nehodlá jít do důchodu
John Goodenough se v 80. letech významně zasloužil o vývoj Li-ion baterií, které jsou dodnes považovány za nejlepší řešení pro mobilní zařízení
„Všichni ti mladí postdokové, které jsem vedl, dnes odcházejí do důchodu,“ směje se John Goodenough, který letos v červenci oslaví 95. narozeniny. Navzdory svému jménu se nikdy nespokojil jen s „dost dobrým“ (=good enough), ale vždy se svým týmem hledá lepší řešení.
Na přelomu roku ve vědeckém časopise Energy & Environmental Science jeho tým představil svůj koncept lithiové pevné baterie bez tekutých částí. „Výsledkem je bezpečná, levná, lithiová nebo sodíková nabíjecí baterie s vysokou kapacitou a dlouhou životností,“ shrnují vědci v úvodu práce.
John Goodenough, inventor of the lithium battery, has developed the first all-solid-state battery cells. Promising! https://t.co/fhhjWEQF8N
Hlavní novinkou konceptu jsou tzv. skleněné elektrolyty. Narozdíl od současné Li-ion baterie, ve které je elektrolyt tekutý, by pevný elektrolyt umožnil snazší konstrukci i údržbu baterie. Helena Braga, která tuto práci vedla, vysvětluje další související výhodu: „Skleněné elektrolyty umožňují nahradit drahé lithium levným sodíkem. Ten lze získat levně například z mořské vody.“
Schematické znázornění pokovování katody: pokovování při vybíjení, redoxní reakce a generování energie v podobě elektrického náboje
Podobný postup si Goodenough, Braga a další patentovali již v roce 2015 a nadále jej rozvíjejí. Zatím mluví až o pětinásobném vylepšení kapacity, a to při nebývale rychlém nabíjení v řádu minut. Tyto baterie jsou navíc nehořlavé. Před publikací vědecké studie navíc Goodenoughův tým baterie dlouhodobě testoval - jednu baterii například vybíjel a nabíjel po více než tisíc hodin.
Napětí zůstalo stabilní v rámci 46 cyklů nabití a vybití (přes 1000 hodin experimentů)
Nová skleněná baterie se v mnohém podobá klasickému lithium-iontovému nebo lithium-polymerovému akumulátoru. Pro zjednodušení se podívejme jen na katodu klasické Li-ion baterie, kde probíhá následující reakce:
Vybíjení klasické lithiové baterie (zjednodušeno)
- při nabíjení baterie se oxid kobaltu (CoO2) dostává do kontaktu s kationtem lithia a vziká lithiová sůl, která využije zvenčí dodaný elektron
- při vybíjení baterie se naopak tato sůl (LiCoO2) přeměňuje zpět na lithium a oxid kobaltu
- kationty lithia prostupují polopropustnou membránou v tekutém elektrolytu mezi anodou a katodou.
Ve skleněné baterii je tekutý elektrolyt nahrazen vrstvou speciálně připraveného pevného elektrolytu z amorfního skla (viz předchozí studie Braga et al. z let 2014 a 2016), které je „levné, lehké, recyklovatelné, nehořlavé a netoxické“. Zároveň toto sklo umožňuje vyšší hustotu jednotlivých vrstev baterie, a tedy její vyšší kapacitu. Protože Goodenoughova skleněná baterie neobjasňuje onen pohyb kationtů lithia nebo oxidaci/redoxidaci na katodě/anodě, není jasné, kde se bere produkovaná energie v podobě elektronů.
Proto je celá koncepce podezřelá kritikům práce. „Tomu experimentu je prostě těžké věřit,“ říká Jeff Dahn, výzkumník z Dalhousie University. „Je jen velmi malá možnost, že to tak skutečně funguje.“
Ostatní vědci jsou zatím skeptičtí: koncept prý odporuje fyzice
Snad jedině legendární jméno vedoucího týmu zabránilo vědcům práci a priori zcela odmítnout: „Kdyby to publikoval kdokoli jiný než Goodenough, neměl bych pro tu práci zrovna uctivé označení,“ nechal se třeba slyšet Daniel Staingart, materiálový inženýr z Princetonu.
Ve svém podrobném blogovém článku na Medium.com Steingart rozebírá, proč se mu na Goodenoughův koncept nepozdává: „Tvrdí, že palivo vlastně neustále reaguje a přitom se nespotřebovává. Všechno, co vím o chemii a temodynamice, mi říká, že je to nemožné.“
Dan Steingart shrnul své pochybnosti o novém Goodenoughově konceptu baterie se skleněným elektrolytem: „Všechno, co vím o chemii a temodynamice, mi říká, že je to nemožné.“
Konkrétně Steingart vyčítá Goodenoughovi, že jeho popis dějů v baterii teoreticky nemůže fungovat: „Článek popisuje jen změnu polohy jednotlivých reaktantů, žádný z nich ale nemění svůj chemický stav. Když nic neoxiduje, nemůže být produkována žádná energie.“
Kdyby bylo možné, co Goodenough popisuje, znamenalo by to podle Steingarta převrat v tom, jak vnímáme chemické procesy. „John Goodenough je důležitý a vážený (vědec),“ řekl Steingart pro NPR. „Ale mechanismus, který popsal, aby vysvětlil tu anomální kapacitu oné baterie, je zřejmě v rozporu s prvním termodynamickým zákonem.“ Naráží tím na známý zákon o zachování energie, který říká, že množství energie v rámci jednoho systému je konstatní. To by také znamenalo, že baterie má nějaký jiný zdroj energie, a zřejmě tedy není dobře prozkoumaná nebo popsaná, a zřejmě ani převratná.
“Žádný termodynamický zákon jsem neporušil,“ směje se v reakci Goodenough. „Akumulátor jsme vyzkoušeli a dokázali jsme, že z něj můžeme dostat 3 volty i po pěti stech nabíjecích cyklech.“
Právě praktické zkušenosti zřejmě rozhodnou o tom, zda má nový koncept „skleněné baterie“ budoucnost. Goodenough uvedl, že o jeho revoluční akumulátor už projevily zájem firmy. Pokud bude baterie v praxi fungovat a splní byť jen část slibů, rozhodně se kupci najdou. Akademici se pak klidně mohou i nadále dohadovat, na jakém principu funguje, pro komerční úspěch to není až tak podstatné.
V roce 2011 obdržel Goodenough americké Národní vyznamenání za vědu:
Aktualizace: Článek jsme rozšířili o citace a vysvětlení principu lithiové baterie.
