Batéria je dnes najslabšie miesto technológií, na ktorých sme závislí. Či už ide o elektrické auto, domáce úložisko energie alebo veľké batériové systémy, vždy narazíš na rovnaký problém. Nabíjanie trvá dlho, kapacita časom klesá a každý vie, že rýchle nabíjanie batérii neprospieva. Vedci teraz ukázali, že chyba nemusí byť v lítiu ani v používaní. Problém je v tom, ako sú batérie zvnútra postavené.
Výskum vedcov z Tohoku University naznačuje, že kľúčový materiál v batériách sa dá navrhnúť úplne inak. Tak, aby batéria vydržala viac, bola bezpečnejšia a zvládala aj rýchle nabíjanie bez skrytých následkov.
Prečo batérie starnú rýchlejšie, než by sme chceli
Väčšina dnešných lítiových batérií používa grafit. Je to osvedčený materiál, no má jednu zásadnú slabinu. Nezvláda extrémnu záťaž.
Keď sa batéria nabíja príliš rýchlo alebo príliš často na vysoký výkon, lítium sa nestíha bezpečne ukladať dovnútra grafitu. Začne sa hromadiť na jeho povrchu. Vtedy batéria síce ešte funguje, ale vnútri sa pomaly ničí.
Výsledok poznáš. Postupná strata kapacity, kratší dojazd, kratšia výdrž a v horšom prípade aj bezpečnostné riziko. Nie kvôli chybe používateľa, ale kvôli fyzikálnemu limitu materiálu.
Prečo batérie nezvládajú záťaž a pomaly sa ničia zvnútra
Vedci dlho hľadali uhlíkový materiál, ktorý by zvládol viac než grafit. Fullerény, známe ako C60, vyzerali sľubne. Sú to duté uhlíkové molekuly, ktoré dokážu viazať elektróny veľmi efektívne.
Lenže v praxi zlyhávali. Počas nabíjania sa ich štruktúra rozpadala a materiál sa doslova strácal v elektrolyte. Batéria tak rýchlo prichádzala o aktívnu hmotu a výkon.
Problém nebol v samotnom uhlíku. Bol v tom, že molekuly držali pokope príliš slabo. Ako dom bez nosných stien.
Toto je zmena, ktorá batériám konečne dáva zmysel
Japonský tím zvolil jednoduchý, no zásadný prístup. Fullerénové molekuly pevne prepojil. Pomocou horčíka medzi nimi vytvoril silné väzby, ktoré z nich spravili stabilný rámec. Tak vznikol materiál Mg4C60.
To zmenilo všetko. Namiesto voľne poskladaných molekúl vznikla pevná štruktúra, ktorá drží tvar aj vtedy, keď sa do nej opakovane ukladá a vyberá lítium.
Batéria tak neprichádza o materiál, nerozpadá sa zvnútra a dokáže fungovať stabilne aj pri vyššej záťaži.
Čo sa stane, keď batéria nedrží pokope
Každé nabitie a vybitie batériu mierne namáha. Ak sa vnútorná štruktúra deformuje alebo rozpadá, poškodenie sa postupne sčítava. Pri Mg4C60 sa jednotlivé uhlíkové „gule“ síce mierne prispôsobujú, no celý rámec zostáva pevný.
To znamená menší stres pre batériu, menšie opotrebenie a lepšie predpoklady pre dlhú životnosť.
Ako sa to môže prejaviť v bežnom živote
Tento výskum nesľubuje zázrak zo dňa na deň. Ukazuje však niečo podstatné. Batérie nemusia byť kompromisom medzi rýchlosťou, bezpečnosťou a životnosťou.
Ak sa tento prístup podarí preniesť do výroby, môže viesť k batériám, ktoré zvládnu vyšší výkon bez rýchlej degradácie. To je kľúčové pre elektromobily, energetické úložiská aj infraštruktúru, ktorá má niesť obnoviteľné zdroje.
Vedci už hovoria o spolupráci s priemyslom a testovaní, či sa tento materiál dá vyrábať vo veľkom.
