Od komerčního debutu „lithiových“ baterií před třiceti lety tato Nobelovou cenou ověnčená technologie zásadně změnila oblasti spotřební elektroniky, elektrických vozidel i ukládání energie ve velkém. A přestože u ní mezi lety 1991 a 2018 došlo k ohromujícímu třicetinásobnému poklesu ceny, největší pokrok se téměř výhradně odehrál na straně katody těchto baterií. Nyní možná nazrál čas na změnu.
Grafitové anody „lionek“ se za dobu existence zásadně nezměnily. S náhradami se přitom experimentovalo. Dlouhodobě se jako slibný materiál pro anody lithium-iontových bateriových článků jeví křemík. Dokáže totiž pojmout 10× více lithiových iontů než grafit. Křemík byl dokonce v této roli použit o celých sedm let dříve než uhlík. Experimenty s ním však neustále narážely na technické problémy. Zdá se ovšem, že v současné době, po zhruba 15 letech postupných vylepšení a zklamaných nadějí čas křemíku nastal.
Pro křemík
Při nabíjení lithium-iontových baterií kladná elektroda ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořena 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 přes sepnutý elektrický obvod, tedy přes spotřebič.
Dnes se používají uhlíkové anody, protože mají dobrou elektrickou vodivost, z fyzikálních důvodů má ovšem omezenou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Kdyby se podařilo uhlík nahradit něčím účinnějším, mohla by to přinést výraznou změnu.
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: po pohlcení elektronů křemík „bobtná“, tedy výrazně změní svůj objem, a to několikanásobně (pro zjednodušení řekněme zhruba na trojnásobek). Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, postačí několik nabití a anoda se roztrhá na malé kousky. Celý článek tak bude k ničemu. Jde tedy o slepou uličku, kterou už vyzkoušela řada týmů, a jednu z hlavních všeobecně známých překážek na cestě k případné lepší baterii.
Výrobci hledali různé způsoby, jak potíž obejít. Ve velmi malém množství, řádově jednotek procent, už roky využívá články s křemíkem v elektromobilech Tesla. Příměs je tak malá, že nárůst objemu nepředstavuje velký problém a přináší zvýšení kapacity o několik procent.
Tento a další podobné „fígly“, jak do baterií dostat alespoň trochu křemíku, jsou ovšem pouze ochutnávkou věcí příštích.
Křemík na silnice!
Někteří výrobci automobilů se spojili se start-upy zabývajícími se křemíkovými anodami s cílem vyrábět v polovině desetiletí levnější elektromobily s delším dojezdem.
General Motors a OneD Battery Sciences v kalifornském Palo Altu používají křemíkovou nanotechnologii OneD v bateriových článcích GM Ultium. Křemíková anoda společnosti Sila Nanotechnologies se sídlem v kalifornské Alamedě má být do roku 2026 v SUV Mercedes třídy G.
Společnost Group14 Technologies z Woodinville ve státě Washington by měla mít svou křemíkovou baterii v elektromobilu Porsche během příštího roku.
Anodový materiál společnosti Sila © Sila Technologies
Koncem roku 2022 získaly společnosti Group14, Sila a Amprius Technologies v kalifornském Fremontu téměř půl miliardy dolarů na komercializaci svých anodových materiálů, přičemž 250 milionů dolarů poskytlo americké ministerstvo energetiky a v případě společnosti Group14 dalších 214 milionů dolarů ze soukromých investic. Všechny tři společnosti plánují v příštích několika letech zprovoznit domácí továrny s gigawattovým výkonem. Skupina Group14 zahájila v dubnu výstavbu 20GW elektrárny v Moses Lake ve státě Washington.
Křemík slibuje delší dojezd, rychlejší nabíjení a cenově dostupnější elektromobily než ty, jejichž baterie jsou vybaveny dnešními grafitovými anodami. Nejenže může ve stejném objemu pojmout více iontů lithia, ale také je rychleji přenáší přes membránu baterie. A jako nejrozšířenější prvek v zemské kůře by měl být levnější a dostupnější. Pro srovnání: v současné době se téměř veškerý grafit pro anody produkuje v Číně.
Nano jde na to
Většina firem v oboru křemíkových anod chce řešit problém s bobtnáním materiálu s pomocí nanostruktur.
V březnu společnost Amprius ohlásila křemíkovou anodovou baterii s rekordní certifikovanou hustotou energie 500 Wh/kg, což je přibližně 2× více než u dnešních baterií pro elektromobily. Airbus a BAE Systems již používají baterie této společnosti v letadlech. Amprius doufá, že se jí podaří zvýšit výrobu v továrně s výkonem 5 GW v Boulderu v Kolumbii, která bude otevřena v roce 2025, a najde využití v některých menších leteckých technologiích, jako jsou drony a (zatím jen hypotetické) „létající taxíky“.
Nevýhodou technologie je ovšem poměrně vysoká cena a skutečnost, že není kompatibilní se stávajícími velkými továrnami na výrobu baterií. Právě proto se Amprius prozatím zaměřuje na specifické aplikace, jako je „městská letecká doprava“.
Cílem společnosti OneD naproti tomu je, aby do roku 2026 uvedla na trh cenově dostupné elektromobily s křemíkovou anodou. Také používá křemíkové „nanodrátky“, ovšem zapouzdřuje je do vnitřních pórů a do povrchů grafitových částeček. Podle OneD obohacení křemíkem tímto způsobem stojí méně než 2 USD/kWh. Výsledkem jsou baterie s energetickou hustotou 350 Wh/kg, které je možné nabít z 0 na 80 % za méně než 10 minut. Jinak řečeno: společnost tvrdí, že našla způsob, jak prolomit nákladovou bariéru a levně přidávat křemík do běžných baterií pro elektromobily.
Aby bylo možné křemíkem nahrazovat uhlík
Společnosti Group14 a Sila se snaží cenu zkrotit tím, že navrhují křemíkové materiály, které se chovají a vypadají stejně jako černý uhlíkový prášek používaný k výrobě dnešních anod. Díky tomu podle nich nebude nutné zcela měnit výrobní postupy.
Křemíkový prášek společnosti Sila se skládá z mikronových částic křemíku a dalších materiálů, které jsou obklopeny porézním lešením z jiného materiálu. Tento materiál umožňuje vyrábět baterie s o 20 % vyšší hustotou energie (což pro elektromobil znamená přibližně o 160 km delší dojezd) než baterie s grafitovými anodami. Společnost uvádí, že v budoucnu plánuje tuto hodnotu zdvojnásobit.
Group14 využívá své odborné znalosti v oblasti výroby porézních uhlíkových materiálů pro baterie a výkonné kondenzátory. Společnost vyrábí porézní uhlíkové částice o velikosti mikrometrů v jediném kroku a jedinou reakcí pomocí patentovaného procesu. Křemík dostává do pórů tohoto materiálu chemickým napařováním.
Křemík, který se uvnitř vytvoří, je amorfní, nikoli krystalický, na rozdíl od křemíku používaného konkurencí. Firma tvrdí, že toto řešení je výhodnější, protože jde o nejstabilnější formu křemíku s vysokou kapacitou a dlouhou životností.