Elektromobily by mohli byť zásadne lacnejšie, nová sodíková batéria v pevnom skupenstve by mohla nahradiť lítium
Výskumníci vytvorili novú sodíkovú batériu, ktorá sa dokázala vysporiadať s najväčšou slabinou svojho predchodcu.
Keď počuješ o moderných batériách, asi ti ako prvé napadne lítium. Je drahé, ťažko dostupné a jeho ťažba často devastuje okolie. Napriek tomu ho všetci potrebujeme, pretože poháňa veľkú časť elektroniky aj elektromobilov. Na druhej strane stojí sodík, lacný, bežný prvok, ktorý máme doslova všade okolo seba. Teoreticky by zvládol to, čo lítium, lenže doterajšie sodíkové batérie pri izbovej teplote nefungovali dobre a už vôbec nie v chlade.
Vedci z UChicago Pritzker School of Molecular Engineering teraz ukázali riešenie, ktoré posúva sodík na úplne iný level. Tím okolo profesorky Y. Shirley Meng predstavil techniku, ktorá umožní vytvoriť all-solid-state sodíkové batérie s vysokým výkonom aj pri teplotách pod nulou. Ich výsledky stoja na čistej vede, no veľmi rýchlo sa môžu pretaviť do praxe. Ak sodík začne konkurovať lítiu, celý trh s batériami môže prejsť veľkou zmenou.
Profesorka Meng vysvetľuje, že nejde o súboj sodíka proti lítiu. Budúce megafabriky podľa nej prinesú oba typy batérií, aby sa doplnili a pokryli rôzne potreby trhu. Lacnejší a dostupnejší sodík pritom otvorí cestu tam, kde dnes lítium už naráža na limity.
Nahradia sodíkové batérie lítium-iónové?
Výskum sa objavil vo vedeckom časopise Joule a ukazuje veľmi hrubé katódy, ktoré poskytujú vysoký výkon a stabilitu. A to aj vtedy, keď teplota klesne do mínusu. Dnešné štandardné lítiovo-iónové autobatérie spoliehajúce sa na kvapalné elektrolyty trpia v chlade výrazným poklesom výkonu, elektromobily majú znížený dojazd a nabíjanie trvá dlhšie. Tento problém sa týka celého sveta, najmä regiónov s dlhou zimou. Preto je schopnosť nového sodíkového elektrolytu udržať vysokú iónovú vodivosť a výkon aj pri mínusových teplotách, vďaka jeho tuhej fáze, taká kritická pre praktické využitie. Tým sa sodík stáva robustnou voľbou pre ukladanie energie v severských krajinách a na miestach, kde sú batérie vystavené extrémom.
Prvý autor štúdie Sam Oh, pôsobiaci v singapurskom A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, opisuje hlavný trik pomerne jednoducho: tím zobral metastabilnú formu sodného hydridoborátu, ohrial ju tesne pred bod kryštalizácie a následne ju rýchlo schladil. Tým zastavil štruktúru v unikátnej podobe, ktorá sa normálne v prírode neudrží. Táto technika síce existuje roky, no nik ju predtým neaplikoval na pevné elektrolyty pre batérie.
Neprehliadni
Výsledok prekvapil aj samotný tím. Takto stabilizovaná metastabilná forma elektrolytu získala ionickú vodivosť približne o jeden rád vyššiu, než akú opisuje doterajšia literatúra. V porovnaní s pôvodným materiálom vyskočila vodivosť dokonca o tri až štyri rády. Znamená to, že ióny sa ním presúvajú omnoho ochotnejšie, a presne to batéria potrebuje.
Oh dodáva, že táto metóda má ešte jeden veľký bonus. Keďže ju priemysel už používa v iných odvetviach, nevyžaduje nové technológie ani zložité úpravy výrobných procesov. V praxi to znamená vyššiu šancu, že sa výsledky laboratórneho výskumu premenia na reálny produkt.
Tím ďalej spojil metastabilný elektrolyt s hrubou O3-typ katódou potiahnutou chloridovým elektrolytom. Tak vznikla kombinácia, ktorá prekoná výkonnostné limity doterajších sodíkových batérií. Hrubšia katóda obsahuje menej neaktívneho materiálu a viac takzvaného „mäsa“, teda časti, ktorá v batérii skutočne robí prácu. Oh vysvetľuje, že so zväčšujúcou sa hrúbkou rastie teoretická energetická hustota. Do rovnakej plochy tak dostaneš viac energie, čo znie lákavo najmä pre elektromobily a veľké batériové úložiská.
„Keďže táto technika je osvedčená, budeme schopní ju lepšie škálovať v budúcnosti,“ povedal Oh: „Ak navrhujeme niečo nové, alebo ak je potrebné zmeniť či ustáliť nové procesy, potom bude priemysel neochotnejší to akceptovať.“
Na ceste k praktickému využitiu
Celý výskum ukazuje, že sodík získava šancu postaviť sa vedľa lítia aj v oblastiach, kde doteraz nestačil. Materiály pracujú pri izbovej teplote aj pri mínusových hodnotách, čo predstavuje veľký krok vpred. Tím síce hovorí, že pred sebou má dlhú cestu, no dôležitý základ už položil.
Sodíkové batérie tak dostávajú novú príležitosť. Ak sa tento trend potvrdí aj v priemysle, bežné zariadenia, úložiská energie či elektromobily už nemusia závisieť len od drahého lítia. Skôr než sa to stane realitou, ubehne ešte veľa práce, no smer vývoja prináša dôvod na opatrný optimizmus.
