Představa elektromobilu schopného dojet velmi daleko i v podmínkách, v nichž běžné akumulátory rychle ztrácejí dech, už nemusí patřit jen do oblasti sci-fi. Čínští vědci oznámili výsledek, který může výrazně posunout hranice současných lithiových baterií. Nový typ elektrolytu má podle laboratorních testů umožnit mimořádně vysokou hustotu energie a zároveň zachovat funkčnost i při teplotách, při nichž se dnešní baterie obvykle stávají téměř nepoužitelnými.

Jádrem objevu není nová karoserie, výkonnější elektromotor ani větší bateriový blok. Změna se odehrává mnohem hlouběji, na úrovni chemie samotného článku. Výzkumníci se zaměřili na elektrolyt, tedy prostředí, kterým se v baterii při nabíjení a vybíjení pohybují ionty lithia. Právě zde leží jeden z největších limitů dnešních akumulátorů.

Proč současné baterie v zimě ztrácejí výkon

Běžné lithiové baterie, které napájejí telefony, notebooky, elektromobily, drony i řadu průmyslových zařízení, používají elektrolyty založené převážně na uhličitanových rozpouštědlech. Tato chemie je dobře zvládnutá, průmyslově rozšířená a v mnoha ohledech účinná. Má však i své pevné hranice.

Jakmile teplota klesá, elektrolyt houstne a ionty lithia se v něm pohybují obtížněji. Výsledkem je nižší výkon, pomalejší nabíjení a menší využitelná kapacita. Každý, komu se v zimě náhle vypnul telefon nebo kdo u elektromobilu pozoroval citelný pokles dojezdu, se s tímto jevem setkal v praxi. Nejde o drobnou softwarovou nepřesnost ani o chybu konkrétního výrobce. Je to přímý důsledek toho, jak se ionty lithia pohybují mezi anodou a katodou.

Průmysl se s tímto limitem potýká už dlouho. Špičkové komerční články dnes dosahují velmi dobrých parametrů, ale ani nejlepší současné technologie se nedostávají tam, kam by potřebovala například elektrická letadla, vesmírné systémy nebo autonomní technika pracující v extrémních podmínkách. U vyspělých článků s chemií NMC nebo NCA se na úrovni komerčně dostupných článků obvykle mluví o hodnotách kolem 300 Wh/kg, zatímco levnější a bezpečnější články LFP bývají výrazně níže, přibližně v pásmu 160 až 190 Wh/kg.

Právě proto vzbudila nová čínská práce takovou pozornost. Nejde jen o drobné vylepšení v řádu jednotek procent. Pokud se výsledky podaří přenést z laboratoře do praxe, mohlo by jít o zásah do samotného základu současné bateriové chemie.

Nový elektrolyt mění pravidla hry

Výzkumný tým z univerzity Nankai ve spolupráci se Šanghajským institutem kosmických zdrojů energie představil elektrolyt, který mění způsob, jakým se ionty lithia v baterii chovají. Podle studie publikované v časopise Nature vědci přepracovali molekulární prostředí elektrolytu tak, aby se lithium nevázalo tradičně především na kyslík, ale aby klíčovou roli převzala koordinace s fluorem.

To je zásadní rozdíl. V běžných článcích je lithium obklopeno molekulami uhličitanových rozpouštědel, v nichž se významně uplatňují atomy kyslíku. Takové prostředí je stabilní, ale zároveň může pohyb iontů brzdit, zejména za nízkých teplot. Nový koncept pracuje s fluorovanými uhlovodíky, které mění elektronické prostředí kolem lithiového iontu a usnadňují jeho transport.

Výsledkem má být elektrolyt, v němž se lithium pohybuje s výrazně menším odporem. V laboratorních článcích se díky tomu podařilo dosáhnout energetické hustoty kolem 700 Wh/kg při pokojové teplotě. Taková hodnota je v kontextu dnešních baterií mimořádná. Neznamená to, že by baterie měla stejnou energetickou výhodnost jako kapalná paliva v celém systému, protože u paliv je nutné počítat také se spalovacím motorem, nádrží a další technikou. Přesto jde o úroveň, která se současným komerčním akumulátorům výrazně vzdaluje.

Důležitou roli hraje 1,3 difluorpropan

Za nejdůležitější součást nového elektrolytu vědci označují 1,3 difluorpropan, známý také jako DFP. Jde o rozpouštědlo s nízkou viskozitou a zároveň vysokou odolností vůči oxidaci. Právě tato kombinace je pro baterie velmi cenná, protože elektrolyt musí ionty nejen dobře vést, ale současně nesmí snadno degradovat při vyšším napětí.

V tradičních akumulátorech elektrolyt obvykle tvoří směs uhličitanových rozpouštědel, například ethylenkarbonátu nebo dimethylkarbonátu, a lithné soli, často LiPF6. Nový systém staví do středu fluorovaný elektrolyt, který upravuje chemické okolí lithiového iontu. Jednoduše řečeno, lithium se v takovém prostředí méně zdržuje a snáze putuje mezi elektrodami.

Vědcům se podařilo nastavit molekulární strukturu tak, aby interakce mezi lithiem a okolními molekulami nebyly příliš silné. Ionty pak nejsou uzavřené v pevných komplexech a dokážou se pohybovat rychleji. To je důležité zejména v chladu, kdy se kapaliny obecně stávají viskóznějšími a transport iontů bývá výrazně pomalejší.

Výkon i při teplotách, kde běžné články selhávají

Nejpůsobivější část výsledků se netýká jen samotné energetické hustoty, ale také chování při extrémních teplotách. Podle zveřejněných laboratorních testů si články s novým elektrolytem udržely přibližně 400 Wh/kg i při teplotě −50 °C. To je prostředí, v němž by standardní baterie ztratila podstatnou část použitelnosti nebo by přestala spolehlivě fungovat úplně.

Studie zároveň uvádí, že elektrolyt si zachoval významnou iontovou vodivost a použitelnou kapacitu i při −70 °C. Takové teploty už neodpovídají běžné zimě, ale spíše extrémním polárním oblastem, stratosféře nebo některým kosmickým aplikacím. Právě tam může mít podobná technologie největší smysl ještě dříve, než se případně dostane do osobních aut.

Další výhodou je elektrochemická stabilita při vysokém napětí. Ta je důležitá proto, aby se elektrolyt rychle nerozkládal a nevytvářel vedlejší produkty, které snižují životnost článku. Nový elektrolyt má také podporovat vznik rovnoměrnější ochranné vrstvy na anodě. Tato vrstva, označovaná jako SEI, pomáhá stabilizovat rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem. Pokud je nekvalitní, může docházet k rychlejší degradaci nebo ke vzniku lithiových dendritů, tedy tenkých jehličkovitých struktur schopných způsobit vnitřní zkrat.

Proč je rozdíl mezi kyslíkem a fluorem tak důležitý

Aby bylo zřejmé, proč je tento výzkum tak zajímavý, je nutné vrátit se k principu fungování lithiové baterie. Při nabíjení a vybíjení se ionty lithia přesouvají mezi anodou a katodou. Elektrolyt je prostředí, které jim tento pohyb umožňuje. Musí tedy dobře vést ionty, ale zároveň nesmí agresivně reagovat s elektrodami, rozkládat se nebo ohrožovat bezpečnost článku.

V běžných systémech se lithium koordinuje hlavně s atomy kyslíku v molekulách uhličitanů. Tato vazba je poměrně silná a stabilní. To je částečně výhoda, protože článek se chová předvídatelně. Zároveň je to ale nevýhoda, protože silná interakce může zpomalovat pohyb lithia. Při nízkých teplotách se tento problém ještě zvýrazní.

Přístup týmu z Nankai pracuje s jinou logikou. V prostředí fluorovaných uhlovodíků se do popředí dostává fluor. Ten díky své vysoké elektronegativitě mění rozložení náboje v molekulách elektrolytu. Interakce s lithiem se tím upraví tak, aby se iont dokázal pohybovat efektivněji.

Fluorované prostředí zároveň přispívá ke vzniku ochranných vrstev bohatých na sloučeniny fluoru. Ty mohou být tepelně i elektrochemicky stabilnější než vrstvy vznikající v běžných uhličitanových elektrolytech. Právě stabilita povrchových vrstev na elektrodách je jedním z klíčů k delší životnosti a vyšší bezpečnosti akumulátoru.

Součást širšího trendu v bateriovém výzkumu

Nová práce zapadá do oblasti, které se říká solvatační inženýrství. Jejím cílem je přesně řídit, jak jsou ionty v elektrolytu obklopeny okolními molekulami a jak silně s nimi interagují. Nejde tedy jen o výběr jednoho nového rozpouštědla, ale o detailní návrh molekulárního prostředí.

Tento přístup je pro baterie mimořádně zajímavý. Umožňuje zlepšovat vodivost, stabilitu, bezpečnost a chování při nízkých teplotách bez toho, aby bylo nutné okamžitě opustit celou dosavadní architekturu lithiových článků. To je prakticky důležité, protože současný bateriový průmysl má obrovské výrobní kapacity, dodavatelské řetězce a zkušenosti právě s lithiovými technologiemi.

Zjednodušeně řečeno, čínský tým ukazuje, že se z lithiových baterií dá dostat mnohem víc, pokud se nepracuje jen s většími články, jinými obaly nebo optimalizací řízení teploty, ale přímo s tím, jak se chovají jednotlivé ionty uvnitř elektrolytu.

Co by to mohlo znamenat pro elektromobily

Nejpoutavější představa se samozřejmě týká elektromobilů. Pokud by se článek s hustotou blízkou 700 Wh/kg podařilo vyrábět bezpečně, dlouhodobě a za přijatelnou cenu, mohl by zásadně změnit konstrukci bateriových vozů. Současný elektromobil s baterií o kapacitě 75 až 100 kWh by mohl mít při stejné kapacitě výrazně lehčí akumulátor. Nebo by při zachování podobné hmotnosti mohl nabídnout mnohem větší dojezd.

Na papíře se tak otevírá prostor pro vozy, které by překonávaly hranici 1 000 km na jedno nabití bez nutnosti obrovského a těžkého bateriového bloku. Je však nutné zdůraznit, že mezi laboratorním článkem a sériovým elektromobilem je dlouhá cesta.

Automobilový průmysl nevyžaduje jen vysokou hustotu energie. Baterie musí zvládnout tisíce nabíjecích a vybíjecích cyklů, rychlé nabíjení, nárazy, vibrace, vysoké i nízké teploty, stárnutí, mechanické poškození, přebití, zkrat a další krizové scénáře. Musí být také vyráběna ve velkém, za rozumnou cenu a s vysokou opakovatelností kvality. To jsou požadavky, které často rozhodují o tom, zda se slibná laboratorní technologie skutečně dostane do sériové výroby.

Laboratoř je teprve první krok

Podle dostupných informací se výzkumníkům podařilo prokázat slibné zachování kapacity po desítkách až stovkách cyklů. To je dobrý začátek, ale pro elektromobily to nestačí. Automobilky očekávají výdrž odpovídající stovkám tisíc kilometrů provozu. Takové ověření trvá dlouho a zahrnuje nejen běžné cyklování, ale také bezpečnostní testy a mezinárodní certifikace.

Dalším úkolem bude převést technologii do formátů článků, které se používají v praxi. Laboratorní článek je něco jiného než velký pouch článek, válcový článek typu 4680 nebo prizmatický článek pro bateriový modul. Každý formát má jiné tepelné chování, mechanické nároky i výrobní postupy.

Tým se proto bude muset zaměřit na škálování výroby elektrolytu, kompatibilitu se současnými výrobními linkami a dlouhodobou stabilitu v reálných článcích. Důležitou roli bude hrát také cena fluorovaných rozpouštědel, jejich dostupnost, dopad na životní prostředí a možnosti recyklace.

Největší šanci mají nejdříve extrémní aplikace

Přestože se o podobných objevech často mluví hlavně ve spojení s elektromobily, první praktické využití může přijít jinde. Technologie s vysokou energetickou hustotou a schopností pracovat v extrémním chladu je mimořádně cenná v oblastech, kde cena není jediným rozhodujícím faktorem.

Patří sem malé satelity, polární senzory, výškové drony, stratosférické balóny, vědecké přístroje v horách, vojenská technika nebo bezpilotní prostředky pracující v drsném klimatu. V těchto aplikacích je každý kilogram navíc problém. Pokud baterie dokáže nabídnout vyšší energii při nižší hmotnosti a zároveň nepotřebuje tak robustní vyhřívání, může to zásadně prodloužit dobu provozu a zjednodušit konstrukci celého systému.

Polární mise dnes často spoléhají na předimenzované akumulátory a topné prvky, které samy spotřebovávají část uložené energie. Baterie schopná pracovat při −50 °C s vysokou měrnou energií by mohla snížit hmotnost zařízení, prodloužit autonomii a zvýšit spolehlivost v místech, kde servisní zásah není snadný ani rychlý.

Vesmír jako přirozené testovací prostředí

Ještě větší význam může mít podobná technologie ve vesmíru. Družice na nízké oběžné dráze procházejí prudkými teplotními změnami, protože střídají přímé sluneční záření a zemský stín. Teploty na exponovaných částech konstrukce mohou kolísat v obrovském rozsahu. Baterie sice bývají chráněné a umístěné v regulovanějších částech satelitu, přesto je schopnost spolehlivého provozu za velmi nízkých teplot mimořádně důležitá.

Čím méně energie je nutné spotřebovat na vyhřívání baterií, tím více jí zůstává pro samotnou misi. Vyšší energetická hustota navíc znamená nižší hmotnost. U kosmických systémů má každý kilogram vysokou cenu, protože ovlivňuje náklady na start, konstrukci nosiče i celkové možnosti mise.

Podobné články by proto mohly být zajímavé pro malé družice, lunární moduly, marsovská vozítka, planetární sondy nebo opakovaně použitelné kosmické systémy. Ušetřená hmotnost se může proměnit ve větší vědecké vybavení, delší provoz nebo vyšší bezpečnostní rezervu.

Jak si tento směr stojí proti jiným bateriovým technologiím

Výzkum univerzity Nankai je součástí globálního závodu o baterii nové generace. Vedle vylepšených lithiových článků se intenzivně pracuje na pevnolátkových bateriích, lithium sirných systémech, lithium vzduchových článcích i dalších konceptech. Každá z nich slibuje zásadní výhody, ale zároveň přináší vlastní technické překážky.

Pevnolátkové baterie nahrazují kapalný elektrolyt pevným materiálem, například keramickým nebo polymerním. Mohou být bezpečnější a umožnit použití kovového lithia, jenže narážejí na potíže s kontaktem mezi elektrodou a elektrolytem i na složitou velkosériovou výrobu.

Lithium sirné články mají velmi atraktivní teoretickou energetickou hustotu, ale jejich problémem je degradace způsobená rozpouštěním a migrací polysulfidů. Tento jev výrazně zkracuje životnost. Lithium vzduchové baterie zase využívají kyslík ze vzduchu, což je lákavé z hlediska energie, ale mimořádně náročné z pohledu stability, účinnosti a bezpečnosti.

Proti těmto radikálnějším cestám má čínský elektrolyt jednu praktickou výhodu. Stále se pohybuje v rámci lithiové technologie, kterou průmysl už dobře zná. Změna elektrolytu je náročná, ale neznamená nutně kompletní přestavbu celého dodavatelského řetězce katod, anod a výrobních zařízení.

Čína posiluje svou bateriovou pozici

Čína už dnes hraje v bateriovém průmyslu dominantní roli. Výrobci jako CATL, BYD nebo CALB patří mezi největší světové hráče a země má silnou pozici jak ve výrobě článků, tak v dodávkách materiálů. Nový výzkum ukazuje, že Čína nechce být pouze výrobní základnou, ale také místem, kde vznikají průlomové koncepty pro další generaci akumulátorů.

Publikace v prestižním vědeckém časopise a zaměření na kosmické i high tech aplikace naznačují, že nejde jen o akademickou kuriozitu. Baterie jsou strategickou oblastí, která ovlivňuje automobilový průmysl, obranu, energetiku, digitální infrastrukturu i kosmické technologie. Kdo bude ovládat jejich vývoj, získá významnou hospodářskou i geopolitickou výhodu.

Překážky, které nelze přehlížet

I přes velmi slibné výsledky je namístě opatrnost. Historie baterií zná mnoho laboratorních prototypů, které vypadaly na papíře převratně, ale nikdy se nedostaly do komerční výroby. Důvodem často nebyla samotná energetická hustota, ale bezpečnost, cena, životnost nebo složitost výroby.

U nového fluorovaného elektrolytu bude nutné důkladně ověřit několik klíčových oblastí. První je tepelná a chemická bezpečnost. Některá fluorovaná rozpouštědla mohou být hořlavá nebo se za určitých podmínek rozkládat na nebezpečné látky. Bude tedy nutné prokázat, že nový elektrolyt nezvyšuje riziko požáru, úniku toxických plynů nebo nebezpečné degradace při přehřátí, vlhkosti či mechanickém poškození.

Druhou oblastí jsou náklady. Fluorované uhlovodíky bývají složitější a dražší na výrobu než běžná uhličitanová rozpouštědla. Pokud má technologie uspět v elektromobilech nebo spotřební elektronice, musí být cena výsledného článku konkurenceschopná. V prémiových a kosmických aplikacích může být vyšší cena přijatelná, u masové výroby osobních aut už nikoli.

Třetím bodem je dlouhodobá životnost. Desítky nebo stovky cyklů jsou důležité pro první ověření, ale nestačí pro komerční elektromobil. Tam se očekává stabilní výkon po mnoho let a po tisících cyklů. Čtvrtou oblastí je ekologický dopad. Masové použití nových fluorovaných sloučenin vyžaduje pečlivé posouzení výroby, úniku do prostředí, recyklace i legislativních omezení.

Kde se technologie může objevit nejdříve

V nejbližších letech by se podobný elektrolyt mohl objevit nejprve v oblastech s vysokou přidanou hodnotou. Typickým příkladem jsou satelity, obranné systémy, polární výzkum, vědecké přístroje nebo prototypy elektrického letectví. V těchto segmentech je výkon, hmotnost a spolehlivost často důležitější než co nejnižší cena za kWh.

Pokud se později podaří snížit výrobní náklady a potvrdit dlouhou životnost, může následovat integrace do luxusních elektromobilů, výkonných užitkových vozidel nebo speciálních dopravních prostředků. Teprve poté by dávalo smysl očekávat širší nasazení v běžných sériových modelech.

Vyšší energetická hustota by mohla pomoci také spotřební elektronice. Telefony, notebooky nebo přenosná zařízení by mohly být lehčí, tenčí nebo fungovat několik dní bez nabíjení, aniž by bylo nutné zvětšovat baterii. I zde ale bude rozhodovat bezpečnost, cena a životnost.

Lithium ještě neřeklo poslední slovo

Nejdůležitější zprávou celého objevu není jen konkrétní číslo 700 Wh/kg. Podstatné je, že lithiová chemie má zjevně stále prostor k zásadním inovacím. Dlouho se mohlo zdát, že současné lithiové baterie už se blíží svým praktickým limitům a že skutečný skok musí přijít až s úplně novou technologií. Práce čínského týmu ukazuje, že i uvnitř známého principu lze najít překvapivě velkou rezervu, pokud se zasáhne na molekulární úrovni.

Budoucnost masové elektrifikace nebude stát na jednom jediném zázračném článku. Bude výsledkem mnoha dílčích zlepšení v chemii, výrobě, řízení teploty, recyklaci, bezpečnosti a ceně. Přesto podobné objevy ukazují, kudy se může ubírat další vývoj. Baterie schopná nabídnout vysokou hustotu energie a současně pracovat v extrémním mrazu by mohla změnit nejen elektromobily, ale také letectví, robotiku, polární výzkum, obranu a kosmické mise.

Zatím jde o laboratorní průlom, nikoli o hotový produkt připravený pro autosalony. Pokud se však podaří překonat bezpečnostní, výrobní a ekonomické překážky, může se nový fluorovaný elektrolyt stát jedním z důležitých stavebních kamenů příští generace lithiových baterií. A právě v tom spočívá jeho největší význam: ukazuje, že cesta k delšímu dojezdu, nižší hmotnosti a spolehlivějším bateriím nemusí vést jen přes úplně nové typy článků, ale i přes mnohem chytřejší práci s chemií, kterou už svět dobře zná.

Zdroj: nature.com, carnewschina.com