Nahradí nadějná baterie současné li-ionové? Zatím ji trápí krápníky

Akumulátorové nářadí, mobilní telefony nebo i elektroauta – v každodenním, běžném životě jsme obklopeni zařízeními, které disponují dobíjecí baterií. Tento trend má ovšem i své mínusy, přestože se o nich možná často nemluví. Některé baterie měly v minulosti nešťastný zlozvyk začít hořet například v letadle, o hořících elektromobilech jsme nepochybně také slyšeli zřejmě všichni.

Moderní li-ion baterie jsou zase citlivé na mechanické namáhání. V odpovědi na tyto nedostatky vytvořili vědci z Institutu Maxe Plancka pro výzkum polymerů tzv. „plně pevnou baterii“ (v originále „solid-state battery“), která neobsahuje tekuté jádro, tzv. elektrolyt, a sestává výhradně z pevného materiálu, například keramického iontového vodiče.

Nadějná baterie s velkým problémem

Výzkum však prozatím nemá vyhráno. Přestože baterie existují, jejich výroba je možná a mají potenciál najít na trhu využití, mají jeden podstatný nedostatek – po určitém počtu cyklů nabíjení a vybíjení samy sebe vyzkratují. Stručně řečeno.

Zatímco kladný a záporný pól baterie jsou na začátku používání od sebe elektricky odděleny, což je u baterie pochopitelné a žádoucí, na konci dosavadní životnosti jsou navzájem elektricky spojeny kvůli vnitřním procesům baterie. V průběhu nabíjecího cyklu totiž uvnitř baterie rostou lithiové výběžky, které ve finále oba póly spojí, způsobí zkrat a baterie nenávratně odejde. Proč se tak děje zatím není bohužel plně vysvětleno.

Inspirace krápníky

Výzkumný tým za tímto účelem zkoumal, kde začínají jednotlivé výrůstky růst a jak celý proces funguje. Dá se přirovnat ke krápníkové jeskyni, kde vyrůstají stalaktity a stalagmity, dokud nedojde k jejich spojení a vytvoření stalagnátu? Baterie v tomto ohledu prakticky nemá „nahoře“ a „dole“, odkud by krápníky mohly růst, ale má plus a mínus. Rostou tedy od plusu k mínusu nebo obráceně? Anebo, dokonce, z obou pólů najednou? Nebo jsou v baterii speciální místa, která vedou k nukleaci a odtud pak k růstu výrůstků?

Výzkum se proto zaměřil na takzvané „hranice zrn“ v keramickém pevném elektrolytu. Tyto hranice se tvoří při výrobě pevné vrstvy – attomy v krystalech keramiky jsou v podstatě velmi pravidelně uspořádány. V důsledku malých, náhodných fluktuací v růstu krystalů se však vytvářejí čárové struktury tam, kde jsou atomy uspořádány nepravidelně – takzvaná „hranice zrn“. Pokud je baterie nabitá, sondová mikroskopie vidí, že se elektrony hromadí podél hranic zrn –  zejména v blízkosti záporného pólu. To by mohlo indikovat, že hranice zrn nemění pouze uspořádání atomů keramiky, ale také jejich elektronovou strukturu.

V důsledku akumulace elektronů, tj. negativních částic, mohou být kladně nabité ionty lithia putující v pevném elektrolytu redukovány na kovové lithium. Výsledkem pak jsou nově vytvořené usazeniny lithia a lithiové výrůstky. Pokud se proces nabíjení opakuje, výrůstek bude dále narůstat, dokud nebudou póly baterie konečně spojeny. Tvorba takových počátečních stádií pro růst výrůstků byla pozorována pouze na negativním pólu. Na opačném kladném pólu nebyl pozorován žádný růst.

Jakmile se podaří přijít na to, jak zabránit tvorbě výrůstků, měla by baterie být připravena a být potenciálně schopná se prosadit v široké škále různých oborů a oblastí závislých na bateriích.