Lithium je vynikajícím vodičem a po desetiletí bylo středem zájmu při výzkumu baterií. Stejně jako alkalické kovy, jeho kolegové na levé straně periodické tabulky, disponuje lithium jedním vnějším elektronem, který snadno odevzdá energii, což vytváří skutečně vysoké napětí. Ve srovnání s jinými zásaditými prvky, jako je draslík či sodík, má lithium nejmenší velikost iontů a třetí nejnižší atomovou hmotnost. To znamená více elektronů a náboje pro baterie.
Vývojem této slibné technologie se zabývá nespočet veřejných i soukromých institucí, jednou z nich je například coloradská společnost Solid Power. Ta své první polovodičové lithium-kovové bateriové články vyrobila relativně nedávno, přičemž fakt, že se jí podařilo zhotovit něco zcela mimořádného, byl podle jejích výzkumníků patrný hned na první pohled. Baterie stříbrně září a v kontrastu s okolím vypadají, jako by ani nepocházely z naší planety. Také jejich výkon je zarážející - oproti tradičním lithium-iontovým článkům až desetkrát větší.
„Věděli jsme, že dokážeme vyrobit něco, co vypadá jako bateriový článek, ale pořád tu byla šance, že nakonec budeme mít jen cihlu,“ řekl v rozhovoru pro časopis Popular Mechanics Josh Buettner-Garrett, technologický ředitel společnosti Solid Power.
Desítky let výzkumu a překonávání překážek
V dnešním světě hrají jasný prim takzvané lithium-iontové baterie, které se zásluhou japonské firmy Sony objevily na trhu poprvé v roce 1991. Jako takové nalezly uplatnění především ve spotřební elektronice a posléze i v elektromobilech. Předchůdcem tohoto technického zázraku z konce 20. století byly pro změnu lithium-jodové články, jež vědci vyvinuli v průběhu let sedmdesátých. Lithium-jodové baterie se staly okamžitým přínosem pro pacienty s kardiostimulátorem, jehož výdrž se rázem protáhla z pouhých dvou let na rovných deset. Nyní se každopádně zdá, že lidstvo konečně našlo způsob, jak z lithia vytěžit ještě mnohem víc.
„Kovové lithium je materiál s nejvyšší kapacitou, který známe,“ říká doktor Jun Liu, ředitel Pacific Northwest National Laboratory v Richlandu ve státě Washington. Vede zde konsorcium, jež si dalo za úkol najít v rámci elektromobility pomyslný ,svatý grál‘, tedy takové baterie, které budou extrémně výkonné, ale zároveň i lehké, rychle se nabíjející a odolné proti korozi. No a nyní je přesvědčen, že díky nedávným pokrokům v oblasti lithiových článků se jim to povedlo.
Aby využili potenciál tohoto kovu co nejvíce, strávili vědci desítky let překonáváním četných překážek. „Potíž je v tom, že kovové lithium je příliš reaktivní. Můžete si to představit jako korozi – pokud se dostane do kontaktu s čímkoli, všechno zkoroduje,“ vysvětluje Liu. Tím, co stojí za častým problémem lithiových baterií, jsou takzvané dendrity vyrůstající z anody. Dokážou totiž prorazit jejich části a zkratovat článek, což u lithium-iontové baterie s tekutým elektrolytem může zapříčinit požár (kapalný elektrolyt je hořlavé rozpouštědlo, které v podstatě jen čeká na vznícení).
Vědci ale nakonec našli řešení, které růstu dendritů zabránilo a riziko požáru eliminovalo. Tekutý a hořlavý elektrolyt byl nahrazen elektrolytem pevným, vyrobeným z keramiky. Pak už ,jen‘ zbývalo dořešit, jak zabránit dendritickým trhlinám, které způsobovala její křehkost. Naštěstí i s touto výzvou se v Solid Power nakonec úspěšně popasovali.
Průlomová výdrž a rychlost nových baterií
Většina nově vznikajícího výzkumu lithium-metalových baterií se zaměřuje na to, kolik nabíjecích cyklů mohou dotčené články vydržet. Tým z Harvardovy univerzity se v květnu 2021 postaral o velmi pozitivní novinku, když zveřejnil zjištění, že jejich lithium-metalová baterie udržela náboj po dobu ohromujících 10 tisíc cyklů.
„Při tolika cyklech bychom mohli změnit naše očekávání ohledně životnosti baterií,“ sděluje doktor Xin Li, jeden z harvardských výzkumníků. „Mohly by vydržet čtvrt, nebo dokonce půl století,“ dodává. Harvardská baterie je však tenká jako papír, podobně jako ty do hodinek nebo naslouchadel. A tyto rozměry pravděpodobně v budoucnu nebudou pro většinu komerčních aplikací stejné. V některých oblastech se dá počítat s mnohem větší a tlustší baterií.
Výsledky harvardské studie jsou každopádně působivé i v jiném ohledu. Lithium-metalový bateriový článek se vědcům podařilo dobít za pouhé tři minuty. Pokud by se tedy tato technologie dostala jednoho dne i do automobilového sektoru, znamenalo by to, že čas potřebný k doplnění nádrže, totiž nabití akumulátorů, by se již neměřil počtem hodin spánku, ale například jen množstvím vypitého kafé na benzínce, respektive moderní dobíjecí stanici.
