Baterie budoucnosti

Svět se připravuje na rozvoj elektromobility. K tomu budou zapotřebí nové lithium-iontové baterie. Vědci vyvíjejí nové speciální materiály pro katodu těchto baterií.

V současné době se na světových dálnicích pohybují přibližně 2 miliony elektromobilů. Společnost Deloitte předpovídá, že do roku 2025 by se toto číslo mohlo rozrůst na 12 milionů a do roku 2030 na 21 milionů. Tento počet ale bude záviset na vývoji nové generace baterií, které nebudou příliš drahé a umožní, aby provoz elektrických automobilů byl minimálně stejně efektivní, jako provoz automobilů spalujících uhlovodíková paliva. Tento vývoj nebude vůbec lehký. Bateriová chemie je technologicky velmi složitá. Jak bezpečně uložit velké množství energie do co nejmenšího prostoru? Jedním z klíčových faktorů, který se týká výkonu a provozu baterie, je návrh katodové elektrody, která obsahuje ionty lithia. Když se baterie používá, kladně nabité ionty lithia proudí do katody uvnitř článku. Ve stejnou dobu do katody rovněž proudí elektrony přes externí obvod. Když se baterie nabíjí, tyto procesy probíhají opačným směrem. Katoda musí být rovněž schopna uvolňovat lithiové ionty a elektrony, aniž by to bylo na úkor její fyzické struktury. A musí být také schopná opakovat tento nabíjecí cyklus mnohokrát za sebou. Schopnost katody uvolňovat a přijímat lithiové ionty je tedy klíčovým faktorem, pokud jde o kapacitu a provoz baterie. Joanna Clerk ze společnosti Johnson Matthey k tomu říká: „Čím více lithia je katoda schopná uvolnit, aniž by se stala nestabilní, tím větší bude kapacita a energie, kterou máte k dispozici, a tím více kilometrů ujedete“. Je rovněž důležité, jak rychle se může pohybovat lithium. U elektromobilů na tom závisí akcelerace auta a doba nabíjení baterie.

Nikl, kobalt, mangan, hliník

Společnost Johnson Matthey již dlouho vyvíjí a testuje lepší materiály pro baterie. Výzkumníci přišli nedávno s novou kombinací materiálů katody, která by mohla významně prodloužit dojezdovou vzdálenost a akceleraci i urychlit nabíjení. Aby uspořádání zůstalo stabilní, mají katodové materiály vícevrstvou strukturu, kdy je lithium rozprostřeno mezi oxidy jiných kovů. Aby výrobci baterií vyhověli různým požadavkům, užívají nikl. Nikl umožňuje prodloužit dojezdovou vzdálenost, ale zkracuje životnost baterie. Klíčem ke „zkrocení“ niklu je použití kobaltu. Kobalt je ale drahý a jeho využití v bateriích velkých automobilů je neekonomické. K zajištění stability je nutné přidat malá množství lacinějších materiálů, jako je mangan nebo hliník. Tyto kovy ale nepřinášejí takové benefity jako kobalt. Řešení spočívá ve správné kombinaci a uspořádání kovů. Vývoj vyžaduje experimentování a simulování fyzikálních a chemických vlastností různého složení materiálů. Výsledkem je portfolio nových materiálů katody, známých jako eLNO, které mají vysoký obsah niklu, ale nízký obsah kobaltu. Směs bohatá na nikl zajišťuje vysoce energetický produkt, jiné kovy zase zajišťují stabilitu a bezpečnost. Tato kombinace maximalizuje dva hlavní aspekty návrhu baterie, a to energetickou hustotu a životnost, aniž by to bylo na úkor její kapacity. Je to výsledek mnoha malých kroků, které v souhrnu přispívají k účinnosti a ekonomice výroby velkých baterií.

Nalezení té správné kombinace je však jen jednou částí problému. Je nutno ji také zakomponovat do elektrody a získat ty nejlepší výsledky. Nemůžete vyvinout nejlepší materiál, aniž byste pochopili, jak se bude chovat jako elektroda v bateriovém článku. Trik spočívá v tom, že s použitím co nejmenšího množství kobaltu zajistíte stabilitu co největšího množství niklu umístěním kovových komponent na správné místo v katodě.

Energetická hustota baterie eLNO umožní podstatně prodloužit vzdálenost, kterou vozidlo ujede na jedno nabití baterie, což pomůže zvýšit zájem o elektromobily.

Zdroj: The battery of the future - today. New Scientist, 2019, č.3247, s. 18-19