Dnešný moderný svet je plne závislý od energie, ktorú bežne nevidíme. Je skrytá hlboko v útrobách našich smartfónov, notebookov a čoraz častejšie aj elektromobilov. S rastúcimi nárokmi na ekológiu a kapacitu však tradičné lítiovo-iónové články narážajú na svoje fyzikálne limity. Ako informoval technologický portál Tech Xplore, vedci z japonskej Tohoku University teraz dosiahli prelom, ktorý môže prepísať budúcnosť ukladania energie.

Vedecký tím pod vedením profesora Hao Liho vyvinul novú zliatinu horčíka a cínu. Táto zmes dramaticky zvyšuje stabilitu a prenos iónov v takzvaných solid-state batériách (batériách s pevným elektrolytom). Tento výskum by mohol definitívne vyriešiť jeden z najväčších problémov alternatívnych batériových technológií.

Horčíkové batérie s pevným elektrolytom sú už dlho považované za svätý grál budúcej energetiky. Ponúkajú totiž oveľa vyššiu hustotu energie, nižšie výrobné náklady a eliminujú riziko vznietenia, ktorým trpia dnešné lítiové akumulátory. Ich komerčnému nasadeniu však doteraz bránila extrémna nestabilita na rozhraní elektrolytu a elektródy.

Priemysel sa dlhé roky snažil nežiaducim chemickým reakciám na tomto rozhraní za každú cenu vyhnúť. Tieto procesy totiž postupne degradovali celkový výkon batérie. Japonskí výskumníci sa však rozhodli pre opačný, mimoriadne nekonvenčný prístup. Namiesto potláčania týchto reakcií ich začali cielene riadiť a využívať vo svoj prospech.

„Dlho sa s reakciami na rozhraní zaobchádzalo ako s nepriateľom, ktorého treba eliminovať,“ vysvetľuje profesor Hao Li. „Náš výskum ale ukazuje, že ak tieto reakcie správne usmerníme, môžu pomôcť horčíkovým solid-state batériám fungovať oveľa efektívnejšie.“

Kľúčom k úspechu bolo pridanie cínu (Sn) do horčíkovej anódy, čím vznikla stabilná intermetalická fáza Mg2Sn. Vedci využili pokročilé počítačové modelovanie a analýzu s vysokým prietokom dát z databázy Materials Project. Vďaka tomu preskúmali desiatky binárnych zlúčenín horčíka.

Tento systematický skríning im umožnil presne určiť, ktoré prvky dokážu vytvoriť stabilnú sekundárnu fázu. Výsledná zliatina vykazuje perfektnú rovnováhu medzi chemickou reaktivitou a rýchlosťou transportu horčíkových iónov.

Počas náročných elektrochemických testov dokázala nová anóda bez problémov fungovať viac ako 1300 hodín kontinuálneho nabíjania a vybíjania. To predstavuje až neuveriteľné, 400-násobné predĺženie cyklickej životnosti v porovnaní s čistým horčíkom, ktorý v rovnakých podmienkach rýchlo zlyhával.

Tento úspech otvára úplne novú kapitolu vo vývoji batérií novej generácie pre spotrebnú elektroniku aj elektromobilitu. Stabilný prenos iónov navyše zabraňuje tvorbe takzvaných dendritov – mikroskopických kovových ihličiek, ktoré často spôsobujú skrat a následné zničenie batérie.

Európsky kontext

Pre Európsku úniu a Slovensko, ktoré intenzívne investujú do transformácie automobilového priemyslu na elektrický pohon, je tento objav mimoriadne dôležitý. Solid-state technológie sú kľúčom k tomu, aby sa Európa zbavila závislosti od drahých lítiových surovín dovážaných z Ázie. Ak sa horčíkové batérie podarí dostať do masovej výroby, Slovensko ako automobilová veľmoc by z toho mohlo v budúcnosti profitovať.

Horčík je na Zemi navyše omnoho hojnejšie zastúpený ako lítium, čo by mohlo drasticky znížiť predajnú cenu budúcich elektromobilov. Zliatiny na báze horčíka a cínu sú navyše environmentálne oveľa prijateľnejšie a ľahšie recyklovateľné než súčasné materiály v Li-ion batériách.

Hoci výskum z Tohoku University je stále vo fáze laboratórneho testovania, ukazuje nám jasnú cestu k bezpečnejšej a udržateľnejšej energetike.

Čítajte viac z kategórie: Umelá inteligencia / AI