Bez kobaltu, ale s 3D katodami. Vědci hledají bezpečnější baterie

Moderní svět by nemohl fungovat bez baterií, které dokáží akumulovat energii. Jenže také občas chytnou, vyrábí se z prvků, které těží v nelidských podmínkách malé děti, a navíc jsou zdroje na ně velmi drahé. Všechny tyto problémy by mohla vyřešit nová technologie.

Ještě v roce 2019 vyjížděli hasiči v Česku jenom k několika jednotkám případů požárů elektrokoloběžek a elektrokol, vloni už bylo těchto výjezdů výrazně přes sto. Souvisí to nejen s tím, jak se tyto rychlé a levné dopravní prostředky v Česku rozšiřují, ale také se stárnutím baterií.

Právě moderní lithium-iontové (neboli Li-ion) baterie umožnily vznik elektromobility, daly lidem možnost používat mobilní telefony, ale třeba také díky nim fungují masivní úložiště elektřiny, která dnes stabilizují v řadě zemí přenosové soustavy. Problém je, že přes to, jak rychle se od počátku jednadvacátého století rozšířily, technologicky u nich vlastně k velkému pokroku nedošlo. Mají jak spoustu omezení, tak i bezpečnostních rizik – jak ukazují právě aktuální data o požárech koloběžek. Snaží se to teď změnit experti na materiálové vědy z Caltechu pod vedením Julie R. Greerové.

Tato vědkyně vede velkou laboratoř, která se právě zdokonalováním Li-ion baterií zabývá. Věří, že našla novou cestu k tomu, jak tyto baterie udělat méně nebezpečnými a současně ještě šetrnějšími k životnímu prostředí. A navíc by měly být tyto úpravy schopné zvýšit výkon baterií, na nichž běží celá moderní civilizace.

„Vyvinuli jsme univerzální způsob výroby trojrozměrně strukturovaných elektrod pro baterie z bezpečnějších materiálů,“ uvedla laboratoř Greerové v souvislosti s novou studií, kde popsali novou elektrodu, která by podle nich mohla změnit podobu baterií už v blízké budoucnosti. Využili k tomu fosforečnan lithno-železitý (LFP), který se už v některých typech baterií využívá, a zkombinovali ho s uhlíkovou matricí. Výsledek byla baterie, která obsahovala méně kobaltu – což je prvek, který přináší rovnou několik problémů – a současně byla mechanicky odolnější.

Jak funguje baterie

Baterie se skládají z pěti hlavních částí: anody neboli záporné elektrody; katody neboli kladné elektrody; elektrolytů – tedy chemického média, které přenáší ionty mezi elektrodami; propustného separátoru mezi oběma elektrodami, který umožňuje průchod iontů, aniž by se elektrody dotýkaly; a sběračů proudu, které umožňují získávání elektřiny vyrobené prostřednictvím elektrochemické iontové výměny.

Americká studie se zaměřila na vývoj katody, která by měla díky své struktuře odlišné vlastnosti. Zatímco dnešní lithium-iontové elektrody jsou ploché, ta nová má 3D povrch. Právě přidání třetího rozměru mění pohyb iontů a elektronů, které tím získávají nové účinné dráhy. Dalo by se to přirovnat k velodromu na dráhovou cyklistiku – ten přidáním třetího rozměru umožňuje cyklistům nabrat vyšší rychlost a udržet se na ní, aniž by vylétli z dráhy.

„Pokud vyrobíte baterii s trojrozměrnou architekturou namísto rovinné, každý iont lithia bude mít při svém pohybu elektrolytem k dispozici aktivní povrch,“ vysvětluje profesorka Greerová. Právě na těchto površích se chemická energie uložená v iontech přeměňuje na elektrickou energii. Tato architektura umožňuje podle ní vyšší hustotu výkonu, říká Greerová, což určuje, jak rychle se dá uložená energie uvolnit.

Pryč s kobaltem

Dalším významným problémem současných lithium-iontových baterií – hlavně těch v noteboocích a smartphonech – je, že mnoho jejich katod obsahuje kobalt. Tento kov je jednak velmi drahý, současně se asi tři čtvrtiny všech světových zásob nacházejí v jediné zemi – Demokratické republice Kongo. To vytváří velké riziko pro dodavatelské řetězce: politická nestabilita, korupce nebo výkyvy v těžbě mohou snadno ovlivnit dodávky.

Navíc se přes snahu Západu stále těží neetickými postupy, jakým je například dětská práce. Ale také podmínky pro dospělé jsou v těchto dolech zdrojem kritiky, protože jsou velmi nebezpečné, též je to spojeno s nízkými mzdami a někdy i otrockou prací.

A to není všechno, právě kobaltové katody mají souvislost se zkraty, které vedou k požárům baterií. U LFP, které se pro výrobu nové katody využilo, je hrozba mnohem nižší.

„LFP samo o sobě není nový materiál, ale využití této technologie aditivní výroby, neboli 3D tisku, k vytvoření strukturované elektrody, která neobsahuje kobalt, je novinkou,“ vysvětluje Greerová, co je vlastně ve výzkumu její laboratoře tak přelomového.

Co dál

Teď začne stejný tým pracovat na 3D anodě ze stejného materiálu. Výsledkem by podle nich měla být výrazně šetrnější baterie vyrobená z levnějšího materiálu a navíc s vysokou energetickou i výkonovou hustotou.

Nebude to ale snadné. Hlavním zádrhelem je 3D tisk elektrod, který stále není dostatečně prozkoumaný a navíc je v současné době zatím příliš drahý. Vědci doufají, že výsledné baterie, když se všechno podaří, by se daly použít na mnohem více místech než nyní.

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

V klinické studii uspěla první vakcína proti melanomu

Společnost Moderna ve spolupráci s farmaceutickou firmou Merck vyvinula personalizovanou terapii proti rakovině, která v pokročilé fázi klinického testování v kombinaci s přípravkem Keytruda snížila riziko návratu a šíření melanomu. Nová léčba je téměř o polovinu účinnější než doposud používané léky. Pokud dojde ke schválení, mohla by výrazně zvýšit pravděpodobnost lidí po operaci melanomu, že se jim nemoc už nevrátí.
před 11 hhodinami

Podívejte se, jak silné je letošní sucho v kontextu dekády

Desítky satelitních snímků ukazují, jak závažné je v Evropě letos sucho a horko, respektive jak se projevují jejich dopady na rostliny.
před 13 hhodinami

Když vyschne řeka, život se do ní měsíce nevrátí, popisují vědci

Obnova života ve vodním toku po jeho vyschnutí může s příchodem dešťů trvat až dva měsíce. Čím déle trvá sucho, tím složitěji se ryby a další organismy vrací. Kritická hranice jsou čtyři týdny. Pokud sucho trvá déle, mohou podle hydrobiologických výzkumů uhynout všechny vodní organismy, uvedl Martin Rulík z olomoucké přírodovědecké fakulty. Další zátěží je podle něj vysoká teplota vody, která spolu s úbytkem kyslíku vytváří nejhorší podmínky.
před 15 hhodinami

Astronomové objevili nejrychlejší hvězdu Mléčné dráhy. Sprintuje kolem černé díry

Astronomové objevili nejrychlejší známou hvězdu v naší galaxii, Mléčné dráze, která obíhá kolem černé díry v jejím středu. Hvězda, která dostala jméno S301, obíhá svou černou díru o hmotnosti čtyř milionů Sluncí rychlostí 25 tisíc kilometrů za sekundu. Navíc se k ní přibližuje víc než jakákoli jiná dosud pozorovaná hvězda, a to tak blízko, že pociťuje účinky rotace černé díry.
19. 8. 2026

Svatyně u Nymburka byla o tisíc let starší než Stonehenge

Jako rituální centrum spojené s pohyby Slunce a Měsíce sloužila přes 6500 let stará svatyně nedaleko obce Chleby na Nymbursku. Na jejím výzkumu pracují archeologové pod vedením vědců z Fakulty filozofické Západočeské univerzity v Plzni (FF ZČU). Nově zjistili, že jde o jeden z nejstarších monumentů ve střední Evropě.
19. 8. 2026

Ukrajinský útok na Roskosmos mohl způsobit Rusku závažné škody

Rusko je ve svém vesmírném programu odkázané na neustálou výrobu nových raket Sojuz, nedisponuje totiž stroji, které mohou startovat opakovaně. Víkendový útok na jedno ze zařízení státního podniku Roskosmos proto mohl způsobit výrobci raket a satelitů velké problémy.
19. 8. 2026

Moderní ženy mají pánev jako neandertálci, muži se vydali jinou evoluční cestou, zjistili vědci

Výsledky nového výzkumu naznačují, že pánve moderních mužů prošly při evoluci většími změnami, zatímco pánve moderních žen zůstávají „archaické“. Mužům tato změna dala podle vědců lepší schopnosti chůze a běhu na dlouhé vzdálenosti – díky jedinečnému mechanismu, který je schopný vynikajícím způsobem tlumit nárazy i účelně akumulovat energii.
19. 8. 2026

Amazonský prales se sám regeneruje díky klíčovým stromům

Amazonský prales má pozoruhodnou schopnost obnovy. Když člověk vykácí část lesa a později ji opustí, o návrat vegetace se podle nové brazilské studie stará především malá skupina několika desítek druhů stromů. Přibližně 15 až 25 druhů dokáže rychle osídlit zničenou půdu, vytvořit podmínky pro návrat dalších rostlin a zároveň začít znovu ukládat uhlík.
19. 8. 2026

Evropský pohled

ČT24 každý den vybírá z obsahu publikovaného evropskými veřejnými médii, členy Eurovize.