Koniec drahého lítia: Vedci vyvinuli sodíkovú batériu, ktorú nezničí ani rozrezanie

Lítiovo-iónové akumulátory dnes poháňajú takmer všetko – od smartfónov až po elektromobily a obrovské priemyselné úložiská energie. Ich Achillovou pätou je však nerovnomerné geografické rozloženie lítia, jeho prudko rastúca cena a tiež riziko požiaru. Sodík je pritom v zemskej kôre približne tisíckrát dostupnejší a dá sa jednoducho získavať napríklad z morskej soli. Až doteraz ho však brzdili technologické nedostatky.

Najväčším problémom sodíkových batérií bola ich bezpečnosť a stabilita. Tradičné verzie totiž využívajú tekuté elektrolyty, ktoré sú horľavé a môžu vytiecť. Prechod na pevné polymérové elektrolyty síce toto riziko odstraňuje, no prináša iné úskalie – sodíkové ióny sa v nich pohybujú príliš pomaly. Navyše sa pri nabíjaní tvoria takzvané dendrity. Ide o ihličkovité kovové výrastky, ktoré postupne prerastú cez pevný polymér, spôsobia skrat a následne fatálny kolaps celej batérie.

Práve tento dvojitý problém sa podarilo vyriešiť tímu pod vedením docenta Palaniho Balayu. Ako vyplynulo z najnovších zistení, vedci objavili spôsob, ako pomocou jedinej, extrémne lacnej prísady kompletne prekopať vnútornú štruktúru batérie a zabezpečiť jej bezprecedentnú stabilitu.

Touto zázračnou ingredienciou je grafitický nitrid uhlíka (GCN). Hoci to znie komplikovane, jeho výroba je až smiešne jednoduchá – stačí zahriať obyčajnú močovinu (urea) na vzduchu na teplotu 550 stupňov Celzia. Vzniknú ultratenké vrstvy s hrúbkou len dva nanometre. Keď ich vedci pridali do polymérového filmu z polyetylénoxidu a sodnej soli, udiali sa hneď dve kľúčové zmeny.

Ak ťa zaujíma, ako súčasné technológie ovplyvňujú výdrž, prečítaj si aj to, ktoré nastavenia smartfónu žerú desiatky percent batérie denne.

Močovina ako kľúč k stabilite

Tieto nanovrstvy narušili tendenciu polyméru vytvárať pevné kryštalické oblasti. Namiesto toho v ňom vytvorili flexibilné, neusporiadané zóny, v ktorých sa ióny sodíka môžu pohybovať omnoho slobodnejšie. Aktívne miesta na povrchu GCN navyše odtrhávajú sodíkové ióny od ich solí, čím uvoľňujú viac častíc schopných prenášať elektrický náboj. Výsledkom bolo viac než zdvojnásobenie iónovej vodivosti pri teplote 55 °C a výrazné zvýšenie efektívnosti akumulátora.

Fyzický štít proti zničeniu

Prísada GCN vyriešila aj obávané dendrity. Výskumníci zistili, že upravený polymér je až trikrát pevnejší ako jeho pôvodná verzia bez aditív. Vďaka tejto mechanickej tuhosti dokáže fyzicky zablokovať rast ihličiek sodíka. Kým bežný polymérový elektrolyt skratoval už po 250 hodinách prevádzky, nová verzia s prísadou GCN fungovala stabilne vyše 1 000 hodín pri rovnakej záťaži, a pri ešte vyššom prúde bez problémov presiahla hranicu 2 000 hodín.

Výkon novej batérie vedci otestovali aj v praxi. Vytvorili jednovrstvový článok v tvare plochého vrecúška (pouch cell), ktorý napájal LED diódu. Batéria bez prerušenia svietila a neskratovala dokonca ani vtedy, keď ju vedci ohýbali, skladali alebo priamo za chodu rozrezali nožnicami. To dokazuje úroveň bezpečnosti, akú bežné batérie jednoducho nedokážu ponúknuť.

Cesta k lacnejším elektromobilom a stabilnej sieti

Nová technológia má obrovský potenciál pre ukladanie energie v priemyselnom meradle, ale aj v automobilovom priemysle. Výrobcovia by totiž vďaka nej mohli priniesť oveľa lacnejšie vozidlá. Už dnes vidíme na trhu pokusy s alternatívnymi akumulátormi, ako napríklad čínske elektrické SUV s prelomovou batériou, no plne pevná sodíková alternatíva by mohla posunúť cenovú dostupnosť na úplne novú úroveň bez nutnosti drahého manažmentu chladenia.

Výskumný tím zo Singapuru už teraz pracuje na optimalizácii týchto článkov pre prevádzku pri bežných teplotách okolo 45 °C a na vývoji takzvanej bipolárnej architektúry. Tá by mala dramaticky zvýšiť energetickú hustotu minimalizovaním prebytočného balenia. Pokiaľ sa im podarí preniesť tieto výsledky do masovej produkcie, môžeme byť svedkami definitívneho konca éry drahého a geopoliticky nestabilného lítia.

Čítajte viac z kategórie: Umelá inteligencia / AI