Moderní společnost je na bateriích závislá více, než si možná uvědomujeme. Napájí naše telefony, notebooky, chytré hodinky, elektrokola i vysavače. A přestože lithium-iontové baterie za poslední dekády udělaly ohromný pokrok, stále mají zásadní slabinu — bezpečnost.

Stačí mechanické poškození, přehřátí nebo výrobní vada a kapalný elektrolyt uvnitř baterie se může stát nebezpečným zdrojem požáru. V době, kdy svět hledá ekologičtější a spolehlivější zdroje energie, se do popředí dostávají tzv. pevné (solid-state) baterie. Ty však nejsou bez problémů. A právě jeden z jejich největších nedostatků se nyní podařilo rozklíčovat vědcům z University of Missouri.

Solid-state baterie: Technologie budoucnosti s jedním velkým ALE

Solid-state baterie nahrazují kapalný nebo gelový elektrolyt pevnou látkou. Výhoda? Vysoká energetická hustota, delší životnost a především eliminace hořlavých kapalin, díky čemuž jsou výrazně bezpečnější.

Není to však bez chyby. Při kontaktu pevného elektrolytu s katodou totiž dochází k chemické reakci, která vytváří tzv. mezivrstvu (interphase layer). A to je problém. Tato vrstva je sice extrémně tenká — asi 100 nanometrů, což je zhruba tisíckrát méně než průměr lidského vlasu — ale dokáže zásadně zpomalit pohyb lithných iontů a elektronů. Výsledkem je vyšší odpor, nižší výkon a celkově horší vlastnosti baterie.

Právě tento fenomén byl dlouho velkou neznámou, která brzdila masové nasazení solid-state baterií do praxe.

Zdroj: Shutterstock

Průlom díky čtyřrozměrné mikroskopii

Tým pod vedením asistenta profesora Matthiase Younga se rozhodl jít na problém jinak než ostatní. Místo složitých a často destruktivních analýz baterie „po smrti“ vsadili na technologii zvanou 4D STEM (čtyřrozměrná skenující transmisní elektronová mikroskopie).

Tato metoda umožňuje sledovat atomární struktury a procesy uvnitř baterie v reálném čase a bez nutnosti její destrukce. Jinými slovy — vědci poprvé mohli opravdu vidět, co se děje na rozhraní katody a elektrolytu, a pochopit, jak a proč vzniká problematická mezivrstva.

Potvrdilo se, že právě tato vrstva je hlavní překážkou efektivity solid-state baterií. Ale tím objev nekončí.

Jak zabránit vzniku mezivrstvy? Ultra tenké ochranné vrstvy

Youngův tým se specializuje na tvorbu extrémně tenkých filmů pomocí procesu zvaného oxidative molecular layer deposition (oMLD). Jednoduše řečeno jde o nanášení ochranných vrstev na atomární úrovni, které mohou oddělit reaktivní materiály a zabránit nežádoucím chemickým reakcím.

Jejich myšlenka je přitom elegantní:

• Vrstva musí být dostatečně tenká, aby nezpomalila proudění lithných iontů.
• Zároveň musí být natolik účinná, aby zabránila vzniku mezivrstvy.

Takové precizní inženýrství na nanometrové úrovni může být klíčem k tomu, aby pevné elektrolyty a katodové materiály spolu kooperovaly bez kompromisů.

Pokud se tento přístup osvědčí, mohli bychom se dočkat baterií, které:

• Budou bezpečnější (bez rizika vznícení).
• Nabídnou vyšší kapacitu a delší životnost.
• Budou stabilnější i při vyšších teplotách.
• Zajistí rychlejší nabíjení.