- Nová baterie, kterou představili vědci z Jižní Koreje, slibuje vyšší kapacitu a výdrž
- Je vyrobena z grafen oxidu, který tvoří vodivou síť pro přenos elektronů
- Díky tomu nová anoda zvládla přes 580 cyklů bez ztráty výkonu a kapacitu až 1 687 mAh/g
Vědcům z Dongguk University v Soulu se podařilo překonat významný milník ve vývoji lithium-iontových baterií (LIB). Vyvinuli totiž novou hybridní anodu, která kombinuje vysokou vodivost s vynikající kapacitou pro ukládání energie. Výsledkem je lehčí a výkonnější akumulátor s delší životností. Tato technologie by mohla do 5–10 let najít cestu do elektromobilů, domácí elektroniky i obnovitelných zdrojů. Nejdříve si ale řekněme, jak lithium-iontová baterie funguje.
Lithium-iontová baterie nejčastěji pracuje na principu přenosu iontů lithia mezi dvěma elektrodami – katodou a anodou – skrz kapalný elektrolyt. Katoda je kladná elektroda, která je obvykle tvořena oxidy kovů, například oxidem kobaltu, niklu nebo manganu, a během vybíjení přijímá ionty lithia. Anoda je záporná elektroda, nejčastěji vyrobená z grafitu, která při nabíjení ukládá ionty lithia do své struktury. Při vybíjení se ionty přesunují zpět ke katodě, což umožňuje tok elektronů vnějším obvodem a tím vznik elektrické energie, kterou baterie poskytuje. Tento cyklus je vratný, což umožňuje baterii mnohonásobné nabíjení a vybíjení.
Baterie, která stárne pomaleji a vydrží déle?
Základem nové anody, kterou vyvinuli jihokorejští vědci z Dongguk University, je tzv. hierarchická heterostruktura – tedy pokročilý vícevrstvý materiál, kde se různé složky vzájemně doplňují a podporují. Tento nanokompozit je navržen tak, aby na úrovni miliardtin metru (to už jsou nanometry) maximalizoval kontakt a interakci mezi vodivými a akumulačními prvky.
Vědci zkombinovali redukovaný oxid grafenu (rGO), známý svou vynikající elektrickou vodivostí, s vrstvami hydroxidů niklu a železa (NiFe-LDH), které fungují jako aktivní složka schopná ukládat elektrický náboj. Redukovaný grafen oxid funguje jako vodivá kostra. Představte si ho jako síť nebo dálnici, po které mohou elektrony rychle proudit. Díky tomu se elektrický proud může snadno dostat tam, kde je potřeba – to znamená, že se zlepšuje vodivost celé anody. Naopak nikl a železo reagují s ionty lithia a ukládají energii pomocí tzv. pseudokapacitního mechanismu, tedy rychlého elektrochemického děje na povrchu materiálu.
Klíčovým faktorem této konstrukce je obrovské množství rozhraní a zrnových hranic mezi jednotlivými složkami. Na těchto místech se mohou ionty efektivně vázat a uvolňovat, což výrazně zvyšuje rychlost nabíjení i kapacitu baterie. Můžeme si to představit jako dálnici, která má mnoho nájezdů a sjezdů. Když má silnice jen pár míst, kde se může auto napojit nebo sjet, vznikají zácpy a doprava je pomalá. Ale pokud jich je hodně – jako právě u této nové baterie – auta (tedy ionty) mohou proudit rychle, plynule a bez zdržení. Každé rozhraní mezi částicemi je jako nový nájezd nebo křižovatka, kde se lithium může zachytit a zase uvolnit. Díky tomu se energie ukládá i vybíjí mnohem rychleji a efektivněji.
Navíc díky duté sférické struktuře vytvořené metodou vrstveného nanášení na šablony z polystyrenových kuliček se dosahuje ideálního poměru mezi povrchem a objemem, což ještě více zefektivňuje celý proces. Výsledkem je anoda, která v laboratorních podmínkách vydržela více než 580 nabíjecích cyklů bez výrazné ztráty výkonu. Uchovala si mimořádně vysokou specifickou kapacitu 1 687 mAh na gram, což je několikanásobně více než u běžně používaných materiálů, jako je například grafit (s kapacitou kolem 370 mAh/g). Tento pokrok může znamenat výrazný posun nejen pro baterie elektromobilů, ale i pro spotřební elektroniku či akumulaci energie v obnovitelných zdrojích.
Menší, lehčí a chytřejší baterie díky synergii materiálů
Výroba nové anody probíhá tzv. samoorganizací vrstev. Vědci nejprve potáhli šablonové polymerní kuličky směsí oxidu grafenu a hydroxidů kovů. Po odstranění šablony vznikla dutá sférická struktura, která byla následně tepelně upravena. Tento proces převedl hydroxidy na nanokrystaly oxidů niklu a železa a zároveň snížil oxid grafenu na vysoce vodivý redukovaný grafen (rGO).
Výsledná struktura je nejen výkonná, ale i lehká a odolná. Podle autorů jde o důkaz, že budoucnost baterií spočívá v kombinaci více materiálů, které vzájemně posilují své vlastnosti. Tímto přístupem lze překonat tradiční limity jednotlivých komponent a vytvořit výkonnější, stabilnější a rychlejší bateriové systémy.
Budoucnost bez obav z dojezdu
Zatímco dnešní uživatelé elektromobilů často řeší strach z krátkého dojezdu, právě nové materiály, jako je ten z Dongguk University, mohou tento problém během několika let vyřešit. Anody z nového kompozitu umožní bateriím nejen uchovat více energie, ale také se rychleji nabít a méně degradovat. Díky tomu by mohly být elektromobily spolehlivější, lehčí a dostupnější.
A přínosy se neomezují jen na dopravu. Nová bateriová technologie najde uplatnění i v přenosné elektronice, kde se klade důraz na dlouhou výdrž a rychlé dobíjení, nebo v energetice, kde je potřeba uchovávat elektřinu z obnovitelných zdrojů.
