Baterie míří ke křemíkové revoluci

26.9.2016

SKLADOVÁNÍ ENERGIE - Po letech výkonnostní stagnace baterie můžeme čekat poměrně výrazné vylepšení - alespoň to někteří slibují. To vše díky křemíku.

Zoom galleryNejvětší obavou majitelů i potenciálních kupců elektromobilů je to, že zůstanou stát s prázdnou baterií někde na noční silnici. Nejčastějším problémem majitelů mobilních telefonů (v průzkumech ho na první místo dává zhruba 75 procent z nich) je zase nedostatečná kapacita baterií jejich přístrojů. Přístrojů, které by podobně jako elektromobily mohly být ještě výrazně výkonnější, kdyby je neomezovala maximální kapacita jejich „nádrží“.

Neznamená to, že by baterie byly tak špatné. Za posledních čtvrt století se jejich kapacita zvýšila několikanásobně. Ale skok umožnila především jedna jediná věc: příchod zcela nové technologie lithiových baterií, které nahradily ty nikl-kadmiové. „Li–ionky“ dnes představují základ bateriové technologie. Jejich kapacita se navíc stále vylepšuje, a to zhruba o pět až osm procent ročně, což je zhruba o 60 až 110 procent za deset let. Navíc existuje celkem reálná obava, že strop současné podoby lithiových baterií leží ještě níže.

Ale třeba bude i lépe. Nejen v laboratořích, ale už i na trhu se objevují signály naznačující, že se možná schyluje k dalšímu „skoku“, byť asi menšímu než v případě nástupu lithiových baterií. Prvním krokem by mohla být na pohled jednoduchá výměna jednoho materiálu za druhý: křemíku za uhlík.

Tuha už nestačí

Uhlík v podobě grafitu (tedy tuhy) tvoří v dnes používaných bateriích jednu z elektrod, konkrétně anodu. Není to špatný materiál, ale také není dokonalý, a jeho přítomnost představuje výrazné omezení dalšího zvyšování kapacity baterií. Je to z čistě fyzikálních důvodů, které není možné nijak obejít nebo překonat. Využití křemíku jako náhrady samozřejmě také není jednoduché, jinak by to už někdo udělal. Ale i když překážky jsou značné a dlouho nepřekonatelné, prvním pionýrům se je daří překonávat. Firma Tesla v srpnu představila výkonnější baterie do svých elektromobilů s obsahem uhlíku v anodě.

Pokrok v bateriích není zanedbatelný – ale zatím není pro řadu použití dostatečný.

Ještě častěji se články s uhlíkovými anodami objevují v mobilních telefonech. Jejich výkon není zase o tolik větší – ale možná je důležitější, že se podařilo bariéru prorazit. Jako první na trhu je začala dodávat firma Amprius, založená stanfordským specialistou na nanotechnologie, profesorem I Cchuejem. Mohla by se stát jedním z nejvýznamnějších hráčů na nově se otevírajícím trhu s křemíkovými bateriemi. A její výzkum také otevírá cestu dále za lithiové baterie. 

mj_rimac-concept_one-2016-1600-02.jpg

Foto: Elektromobily, a ostatně i většina dalších elektrických zařízení, by mohly být výkonnější a dravější, jak ukazuje koncept elektrického sportovního vozu Rimac Concept One. To, co je drží při zemi, jsou v první řadě baterie. A v tom by se v blízké budoucnosti přece jen mohlo něco změnit.

Fyzik I Cchuej je podle všech měřítek multimilionář, svou Teslu Model S má ovšem jen na leasing. Doufá, že za pár let si totiž pořídí nový model s jedním zásadním vylepšením: „Doufám, že v novém autě budou naše baterie,“ řekl letos reportérům časopisu Science.

To může znít jako bohapusté vychloubání, ale v případě tohoto vědce čínského původu to tak být nemusí. Před šesti lety odborník ze Stanfordovy univerzity spoluzakládal firmu Amprius, která se od roku 2010 změnila z malého start-upu na společnost s odhadovanou hodnotou deset miliard dolarů. Dodejme rovnou, že tato hodnota je hodně spekulativní, ale velmi dobře naznačuje výši ambicí společnosti i jejího zakladatele.

I Cchuej, jehož ve vědecké literatuře najdete pod anglickým přepisem Yi Cui, je jedním z těch výzkumníků, kteří se pokoušejí výrazně zvýšit možnosti současných baterií. Soustředí se na nejnadějnější a nejpoužívanější typ, lithium-iontové baterie. Není samozřejmě v žádném případě sám. O totéž se pokoušejí velké společnosti jako Apple, LG, Samsung, Panasonic či Tesla (která pomalu spouští největší továrnu na baterie na světě, viz s. 8). I Cchuej – a podobné malé firmy – se snaží mezi nimi hrát roli malých a obratných dravců, kteří přicházejí s neotřelými nápady.

Amprius konkrétně na nanotechnologie. „Využívá inovací v nanotechnologiích k řízení chemických procesů,“ řekl o něm jeden z jeho kolegů, Wej Luo z univerzity v Marylandu. Na rozdíl od řady jiných „baterkářských“ firem se tedy nesnaží vylepšit chemické složení baterií, chce změnit jejich vnitřní uspořádání. Snaží se vytvořit baterie s velmi komplikovanou strukturou, která umožňuje rychlejší výměnu iontů bez nežádoucích vedlejších reakcí. V celé sérii laboratorních experimentů I Cchuej předvedl, že jeho mikroarchitektura umožňuje využít celou řadu procesů, které se chemikům jinak nedařilo příliš zvládnout.

Co dokázal

Amprius už také začal dodávat první baterie zákazníkům. Ne do elektromobilů, ale do mobilních telefonů. Důvod je prostý: nároky na tento typ baterií jsou nižší. Baterie do elektromobilů musí být opravdu trvanlivé, snášet dlouhodobě nepříznivé podmínky a přitom si zachovat vysokou spolehlivost, jinak hrozí katastrofální nehody. Baterie do mobilů navíc jsou levné, a zákazník (a to jak ten koncový, tak odběratel Ampriusu) jejich selhání přece jen přijme s menší nevolí.

Firma dodává především některým čínským výrobcům a její specialitou jsou baterie s kapacitou kolem 5000 mAh, které představují v tomto ohledu naprostou světovou špičku. Tradiční konkurenty převyšuje kapacitou ve stejném objemu jen zhruba o deset procent, ale i to je zajímavý rozdíl. Důležitější třeba pro investory do firmy je ovšem to, že teoretické hranice možného vylepšení jsou podstatně vyšší, možná na několikanásobku dnešních výkonů.

spe_3_2016_s4a5_mobil_thl5000_2.jpgTo by byl ohromný skok. Dnes dostupné komerční li-ion baterie mají zhruba pětinásobek kapacity nikl-kadmiových článků používaných v 80. letech, tedy před více než čtvrtstoletím. Za poslední dekádu se stejný ukazatel (tedy kapacita) zvýšil asi dvojnásobně – pokrok byl tedy poměrně setrvalý, ale spíše mírný. Kdyby se ho podařilo zrychlit tak, jak naznačují laboratorní výsledky Ampriusu, znamenalo by to přelom jak v elektromobilitě, tak třeba využití baterií v energetice.

Foto: Baterie firmy Amprius se zatím dostaly například do některých telefonů firmy THL.

Budoucnost je v křemíku

Jak na to? „Li–ionky“ jsou v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody, oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořená uhlíkem. Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu.

Uhlík se pro anody používá, protože dobře vodí proud, má ovšem z fyzikálních důvodů velmi omezenou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Kdyby se podařilo uhlík nahradit něčím účinnějším, mohla by to být výrazná změna.

Extrémně vhodným by mohl být třeba křemík (který má navíc tu výhodu, že s ním jsou bohaté zkušenosti z výroby elektroniky). Jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia. Bohužel má křemík i nepříjemné vlastnosti. Jednou z nich je to, že po pohlcení elektronů „bobtná“; velmi výrazně se změní jeho objem, a to až několikanásobně. Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, stačí jen několik nabití, anoda se roztrhá na malé kousky a celý článek je k ničemu. Je to slepá ulička, kterou už vyzkoušela řada týmů, a jedna z hlavních všeobecně známých překážek na cestě k případné lepší baterii. Křemík ve velmi malém množství (cca 1 až 3 procenta) používají díky technologii od Panasonicu elektromobily Tesla – příměs je tak malá, že nárůst objemu není velký problém, a zvýšení kapacity o několik procent za něj stojí.

V malém to jde jinak

I Cchuej se domnívá, že ví, jak problém obejít. Postup jeho firmy využívá toho, že v nanorozměrech se materiály leckdy chovají jinak než v makrorozměrech. Jeden důvod je třeba ten, že velká část atomů je vlastně na povrchu, a má tedy méně sousedů, kteří by je udrželi na místě v případě namáhání. Materiály tak mohou být v nanorozměrech výrazně pružnější, než jsme zvyklí. Ukázalo se to i v případě křemíku: I Cchuej už v roce 2008 ukázal, že tenké křemíkové drátky vydrží změny objemu při nabíjení a vybíjení podstatně lépe než anody z většího kusu křemíku.

Jak asi tušíte, objevily se ovšem jiné problémy. Na nanodrátech se například vytvářely „jizvy“, které poměrně rychle snížily kapacitu anody na neúnosnou míru. Tým ale přišel s dalším nanotechnologickým řešením: vytvořil kolem křemíkových atomů klece z vodivého uhlíku, které jim poskytly dostatek prostoru k rozpínání, ale přitom bránily roztržení nanodrátů. V roce 2012 I Cchuej s kolegy v práci pro časopis Nano Letters napsal, že takováto anoda si i po tisíci cyklech udržela 74 procent své kapacity. To není dost na běžné používání, ale i tak to bylo zlepšení o nejméně o dva řády. A v roce 2014 už se dostaly na 97 procent kapacity po 1000 cyklech – to už je úroveň, se kterou by se v praxi „dalo žít“.

S cenou dolů

Nanodráty jsou ovšem výrobně drahé a náročné. Tým Ampriusu proto přišel s jednodušším, byť trochu méně účinným řešením: obalili kousky křemíkové anody vrstvou grafenu (to je vrstva uhlíku o síle jednoho či několika atomů). Nestačí na to, aby udržely anodu zcela pohromadě, ta se po několika nabitích roztrhá, ale to nevadí. Grafen totiž dokáže zabránit průniku elektrolytu ke křemíku, a „rozdrobená“ anoda si stále zachovává své vlastnosti a je nadále funkční.

O 40 % vyšší by mohla být kapacita li–ion baterií s křemíkovou anodou proti dnešním typům.

Amprius zatím prodal zhruba milion baterií pro mobilní telefony tohoto typu. Jak jsme již uvedli v úvodu, jejich kapacita je asi jen o 10 procent vyšší než u konkurence. Firma proto hledí k zavedení baterií s nanodráty obalenými uhlíkovým „krytem“, které by měly mít kapacitu vyšší zhruba o 40 procent. V červnu letošního roku předvedli potenciálním průmyslovým partnerům svůj experimentální provoz na výrobu těchto baterií v Holandsku ve spolupráci s technologickou firmou Meyer Burger.

Kam dál

Jistě víme v tuto chvíli jen to, že nanodráty v Ampriusu končit nechtějí. I když i firma sama uznává, že křemíkové anody bude možné i nadále výrazně vylepšovat, ohlíží se po ještě lákavějších cílech.

Zoom galleryS pomocí postupu ochranných „nanoobalů“ by chtěl tým Ampriusu uspět třeba s výrobou anody z čistého lithia, které je považované za fyzikálně nejlepší možný materiál pro anody vůbec. Obal by měl v tomto případě možná být z malých uhlíkových nanokuliček, či kombinací zlatých nanočástic s uhlíkovými. Zatím není nic rozhodnuto, výzkum probíhá, ale případný nárůst výkonů baterií by byl znovu velmi výrazný.

Foto:  Výrobní linka Ampriusu v čínském Nankingu.

Změnit by I Cchuej chtěl i druhou stranu baterií, tedy katody. Své zkušenosti s nanotechnologií upnul k využití síry jako materiálu pro katodu. Síra je extrémně levný materiál (tedy z hlediska výroby baterií) a teoreticky může udržet na stejný objem několikanásobně více elektronů než dnešní materiály. Bohužel s běžnými elektrolyty reaguje tak nešťastně, že produkty těchto reakcí baterii rychle zničí.

Ale týmu se znovu podařilo vytvořit „nanoklece“ pro atomy síry, které brání chemickým reakcím s elektrolytem a zlepšují i některé další její vlastnosti (např. jak snadno uvolňuje náboj). Materiál je v tomto případě ne úplně praktický oxid titanu, ale práce je v poměrně rané fázi, a snad se podaří najít vhodnější náhradu.

I Cchuej pro časopis Science, 2016: "Chtěl jsem změnit svět i zbohatnout, ale hlavně změnit svět."

Pokud by se Ampriusu podařil podobný pokrok na anodě i katodě, desetimiliardové ohodnocení by se změnilo na úsměvnou historku z dob, kdy „firma byla ještě v plenkách“. I Cchuej a jeho kolegové hrají o historickou šanci stát se potenciálně jednou z největších firem v dějinách, a možná motorem další velké energetické revoluce.

Samozřejmě je tu velmi reálná možnost, že prohrají - a s nimi i jejich investoři. Objektivních informací je poměrně málo, nadějí a zainteresovaných stran naopak přehršel, a tak těžko odlišit skutečně důležité informace od šumu. Možná i Amprius a hvězda I Cchueje s jeho gloriolou „nanorevolucionáře“ brzy vyšumí. Ale vsaďte si proti nim, když se jim zatím tak daří.  

(spe)

Zoom gallery

Svět plný energie > Témata > Baterie míří ke křemíkové revoluci

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: