Extrémně výkonné baterie jsou tady: mají ale jednu nevýhodu

Slibná technologie naráží na krátkou životnost baterií

V posledních letech běží výzkum v oblasti baterií na plné obrátky. Vědci zkoumají nejnovější možnosti, které by vedly k výrobě akumulátorů s rychlejším nabíjením a větší kapacitou, než mají současné nejrozšířenější lithium-iontové baterie.

Jednou z nadějí jsou sodíkové baterie, které namísto lithia využívají mnohem běžnějšího prvku, kterým je chlorid sodný. Jeho dostupnost je příslibem mnohem levnější a udržitelnější výroby baterií. Problém ale je, že současné typy sodíkových akumulátorů mají nižší energetickou hustotu a kratší životnost než lithium-iontové baterie.

Skupina vědců s renomované Princetonské univerzity představila inovativní řešení katody pro sodíkový akumulátor. Nový materiál pro výrobu katod je z organické pevné látky, označené TAQ. Ve srovnání se stávajícími katodami, které se používají v lithiových akumulátorech, dosahuje mnohem lepších parametrů jak v oblasti poskytovaného výkonu, tak i hustoty energie.

Pokrok ve vývoji baterií

Cílem vědců bylo vyvinout technologii pro baterie, které bude možné vyrábět z běžných zdrojů: například organických materiálů a mořské vody. Současně využívané lithium je v mnoha ohledech zdrojem s omezeným přístupem. Přinejmenším jeho těžba je možná pouze ve vybraných lokalitách (zejména v zemích třetího světa) a naráží na různá omezení. 

Laboratoř informovala o nadějném katodovém materiálu TAQ už v loňské roce. Od té doby běží intenzivní výzkum jeho potenciálu. Důležité bylo zejména zjištění, že se jedná o zcela nerozpustný materiál s vysokou vodivostí. To jsou dvě rozhodující výhody organických materiálů pro bateriové katody.

Vědci se pokusili zkonstruovat sodíkovou baterii s katodou na bázi materiálu TAQ, což jim zabralo rok práce. Museli přizpůsobit několik konstrukčních principů, které jsou sice u lithium-iontových baterií zcela běžné, nicméně v sodíkových bateriích by nefungovaly.

Výsledky nakonec překonaly očekávání vědců. Zjistili totiž, že výkon nově vyvinuté katody se blíží teoretické maximální hranici, kterou je materiál schopen poskytnout. Pro dosažení homogenity elektrody vědci také použili specifické pojivo, kterým jsou uhlíkové nanotrubičky.

Oba faktory významně podporují transport elektronů uvnitř elektrody a umožňují bezmála stoprocentní využití aktivního materiálu. To vede k dosažení kapacity, která se velmi přibližuje teoretickému maximu.

Sodíková baterie poskytuje překvapivou energetickou hustotu

Vědci také vyzdvihují vlastnosti uhlíkových nanotrubiček, které v bateriích využili. Podle jejich soudu zlepšují rychlostní parametry: ve srovnání s lithium-iontovými články dokáží uložit stejné množství energie za mnohem kratší dobu nabíjení, nebo mnohem více energie za stejnou dobu nabíjení.

Použité materiály by měly umožnit výrobu sodíkových baterií s hustotou energie 472 Wh/kg. Komerčně dostupné lithium-iontové baterie v současnosti dosahují hustoty energie až 300 Wh/kg. K dalším výhodám katodového materiálu TAQ patří podle vědců také stabilita proti vlivu vzduchu a vlhkosti, dlouhá životnost, schopnost odolávat vysokým teplotám a nezávadnost pro životní prostředí.

Co ale vědci příliš podrobně nerozebírají, je stabilita vlastností baterií při cyklování. Popisují ji pouze jako „vynikající“, což nedává žádnou představu o tom, jakou kapacitu bude baterie vykazovat po vyšším počtu cyklů nabíjení/vybíjení. Obecně se ví, že právě krátká životnost je doposud jednou z nepřekonaných nevýhod sodíkových článků.

Dalším problémem je cena výroby baterií. Použití uhlíkových nanotrubiček má sice klíčový přínos v oblastech rychlosti nabíjení a hustoty elektrické energie, nicméně oproti lithium-iontovým článkům to výrobu značně prodražuje výrobu. Přinejmenším bez prozatímního nasazení v průmyslu.

Zdroj: ACS Publications