Súčasné smartfóny, elektromobily a v podstate celá moderná spotrebná elektronika stoja a padajú na technológii batérií. Hoci lítium-iónové články poháňajú náš svet už desaťročia, pomaly narážajú na svoje technologické limity. Práve preto sa upiera pozornosť na batérie s pevným elektrolytom (solid-state), ktoré predstavujú revolučný skok vpred v bezpečnosti aj kapacite.

Namiesto tekutého elektrolytu, ktorý poznáme z bežných batérií, využívajú pevný, často keramický materiál. Tento dizajn ponúka vyššiu energetickú hustotu a eliminuje riziko požiaru. Doteraz však mali tieto batérie obrovskú slabinu. Počas nabíjania v nich rástli drobné ihličkovité štruktúry zvané dendrity, ktoré dokázali prerásť cez pevný elektrolyt a spôsobiť fatálny skrat.

Výskumníkom z nemeckého Inštitútu Maxa Plancka pre udržateľné materiály (MPI-SusMat) sa však teraz podaril prelomový objav. Ako vyplynulo z najnovších zistení portálu Science Daily publikovaných pôvodne v prestížnom vedeckom časopise Nature, vedci presne identifikovali fyzikálny mechanizmus, ktorým tieto mäkké dendrity dokážu roztrhnúť extrémne tvrdú keramiku.

Dlho bolo záhadou, ako môže kovové lítium, ktoré je poddajné a mäkké doslova ako gumený medvedík, preniknúť cez tvrdú a pevnú keramickú bariéru. Existovali dve hlavné teórie. Prvá hovorila o mechanickom pnutí priamo v hrote dendritu, druhá o úniku elektrónov pozdĺž hraníc zŕn elektrolytu, kde sa následne hromadilo lítium. Pravda je však oveľa prozaickejšia a pripomína silu prírody.

Ako vodný lúč ničiaci skalu

Nemeckí vedci pod vedením doktorky Yuwei Zhang použili pokročilé metódy prípravy vzoriek a materiálovej charakterizácie pri extrémne nízkych kryogénnych teplotách a vo vákuu. Vďaka tomu zabránili nežiaducim reakciám s kyslíkom či vodou, ktoré by mohli výsledky skresliť. Zistili, že mäkké lítium sa správa ako kontinuálny vodný lúč, ktorý dokáže časom prerezať aj tú najtvrdšiu skalu. Hydrostatický tlak vnútri rastúceho dendritu vyvolá v keramickom elektrolyte krehký lom, čo nakoniec vedie k jeho prasknutiu.

Podobne ako v prípade iných materiálových záhad, napríklad keď vedci po 150 rokoch vyriešili záhadu kovu, ktorý sa ti roztopí v ruke, aj tu bolo kľúčom ísť až na úroveň jednotlivých atómov a mikroskopických štruktúr. Detailná analýza ukázala, že pred samotným hrotom dendritu nedochádza k hromadeniu lítia, čo definitívne vyvrátilo jednu z dvoch hlavných hypotéz.

Tri stratégie na odvrátenie katastrofy

Keď už vedci presne vedia, ako k deštrukcii dochádza, môžu konečne navrhnúť účinnú obranu. Tím z inštitútu MPI-SusMat už teraz pracuje na niekoľkých strategických riešeniach, ktoré by mohli dendritom definitívne zabrániť v ich ničivej ceste a priniesť tak novú generáciu batérií do komerčnej praxe.

Prvým spôsobom je mechanické spevnenie samotného pevného elektrolytu, aby lepšie odolával tlaku. Druhou, veľmi kreatívnou cestou, je vytvorenie kontrolovaných mikroskopických dutín v štruktúre elektrolytu. Tieto prázdne miesta by dokázali odkloniť smer rastu dendritov preč od zraniteľných oblastí. Treťou možnosťou je nanášanie špeciálnych ochranných vrstiev priamo na lítiové elektródy, čím by sa tvorba dendritov eliminovala už v samotnom zárodku.

Tento objav odstraňuje jednu z najväčších teoretických a praktických bariér, ktoré bránili masovej výrobe solid-state batérií. Prechod na túto technológiu nebude okamžitý, no vďaka pochopeniu správania materiálov na mikroskopickej úrovni sme k nemu bližšie než kedykoľvek predtým. Ak sa podarí tieto riešenia aplikovať v priemyselnom meradle, čaká nás skutočná energetická revolúcia. Naše smartfóny dostanú novú úroveň výdrže a elektromobily sa zbavia svojej najväčšej slabiny – obmedzeného dojazdu a pomalého nabíjania.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda