Vývoj baterií se ve 21. století nezastavil, přesto mají vědci stále co dohánět. Výkony, a především cena, zatím pro celou řadu plánovaných využití nedostačují. Ale kam můžou jít dále? Jednou možností je zbavit se prvku, díky kterému se „lionky“ dostaly tam, kde jsou nyní.
Malá, ale nafouklá změna
Dnešní „li–ionky“ jsou v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody, oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořená uhlíkem.
Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu.
Uhlík se pro anody používá, protože dobře vede proud, má ovšem z fyzikálních důvodů velmi omezenou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Kdyby se podařilo uhlík nahradit něčím účinnějším, mohla by to být výrazná změna.
Extrémně vhodným by mohl být právě křemík (který má navíc tu výhodu, že s ním jsou bohaté zkušenosti z výroby elektroniky). Jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia. Tato výhoda je dlouho známá a s křemíkem se hojně experimentovalo, bohužel má také velmi nepříjemné vlastnosti. Významnou je, že po pohlcení elektronů „bobtná“ – velmi výrazně se změní jeho objem, a to několikanásobně (řekněme pro jednoduchost zhruba na trojnásobek původního).
Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, stačí jen několik nabití, anoda se roztrhá na malé kousky a celý článek je k ničemu. Je to slepá ulička, kterou už vyzkoušela řada týmů, a jedna z hlavních všeobecně známých překážek na cestě k případné lepší baterii. Křemík se menší koncentraci, obvykle řádově jednotek procent, v bateriích používá. Kapacita tím vzroste, ale příměs musí být tak malá, aby nárůst objemu baterii nezničil. (To dělá například Tesla a další.)
Co s tím?
Řada společností a výzkumných týmů se domnívá, že dokáže problém nějak vyřešit. Například společnost Amprius chce využít toho, že v nanorozměrech se materiály leckdy chovají jinak než v makrorozměrech. Jeden důvod je třeba ten, že velká část atomů je vlastně na povrchu, a má tedy méně sousedů, kteří by je udrželi na místě v případě namáhání. Materiály tak mohou být v nanorozměrech výrazně pružnější, než jsme zvyklí. Zakladatel Ampriusu, fyzik I Cchuej už v roce 2008 ukázal, že tenké křemíkové drátky vydrží změny objemu při nabíjení a vybíjení podstatně lépe než anody z většího kusu křemíku.
Jak asi tušíte, objevily se ovšem jiné problémy. Na nanodrátech se například vytvářely „jizvy“, které poměrně rychle snížily kapacitu anody na neúnosnou míru. Tým Ampriusu ale přišel s dalším nanotechnologickým řešením: vytvořil kolem křemíkových atomů klece z vodivého uhlíku, které jim poskytly dostatek prostoru k rozpínání, ale přitom bránily roztržení nanodrátů. V roce 2012 I Cchuej s kolegy v práci pro časopis Nano Letters napsal, že takováto anoda si i po tisíci cyklech udržela 74 procent kapacity. To není dost na běžné používání, ale i tak to bylo zlepšení o nejméně o dva řády. A v roce 2014 už se dostali na 97 procent kapacity po 1000 cyklech.
Nanodráty jsou ovšem výrobně drahé a náročné. Tým Ampriusu proto přišel s jednodušším, byť trochu méně účinným řešením: obalili kousky křemíkové anody vrstvou grafenu (to je vrstva uhlíku o síle jednoho či několika atomů). Nestačí na to, aby anoda vydržela zcela pohromadě, ta se po několika nabitích roztrhá, ale to nevadí. Grafen totiž dokáže zabránit průniku elektrolytu ke křemíku, a „rozdrobená“ anoda si stále zachovává své vlastnosti a je nadále funkční.
Grafen je ovšem stále na běžné sériové baterie podle dostupných indicií příliš drahý materiál. Snad proto zatím Amprius ve velkém měřítku neprorazil. V roce 2020 se spekulovalo o tom, že firmu koupí automobilka Tesla, ale dohady se nepotvrdily.
Skutečný úspěch?
Amprius není zdaleka jediným startupem, který se poli vývoje křemíkových baterií pohybuje a doufá ve velký průlom. Po podobné trajektorii se pohybovala například společnost Enovix. Ta byla založena v roce 2007, a jejím produktem má být plně křemíková 3D anoda. Architektura baterie je podle něj navržena tak, aby se vypořádala se změnami objemu anody bez poškození. K výrobě se prý používají postupy odvozené z výroby solárních panelů, takže cena by neměla být přehnaná.
Do společnosti postupně vstoupila řada strategických investorů od Intelu přes Qualcomm po Cypress Semiconductor. Společnost se roky pohybovala ve stínu a její budoucnost byla nejistá. V únoru 2021 ovšem firma uvedla, že by měla v letošním roce spustit linku s objevem výroby cca 1,8 GWh ročně a hodlá vstoupit na burzu. Oceněna přitom má být na cca 1,1 mld. dolarů.
Společnost nechce být primárně velikým producentem, chce svou technologii lincecovat větším společnostem. Tvrdí, že výkony jejích baterií jsou několik let před konkurencí. Energetická hustota její anody by měla být cca 900 Wh/l, což je alespoň na papíře výrazně před konkurencí. Zatím víme poměrně málo na to, abychom mohli přesně hodnotit. Vývoj budeme ale určitě sledovat. Zdá se, že hodina křemíku snad konečně přichází.