Společnost Daimler na začátku října letošního roku dokončila před několika měsíci oznámený nákup podílu ve společnosti Sila Nanotechnologies. Což znamená, že milovníci elektromobilů by možná mohli začít trochu doufat v lepší baterie. V roce 2011 založená společnost Sila je totiž jedním z nejviditelnějších start-upů v oblasti vývoje nové generace výkonnějších baterií, které sázejí na křemík.
Než přejdeme k detailům, krátce zopakujme, že dnešní lithiové baterie tvoří dvě elektrody, oddělené membránami a tekutým elektrolytem, kterým lithiové ionty putují od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (v bateriové terminologii 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 slouží jako ochranný obal pro lithium v baterii, čímž výrazně zvyšuje bezpečnost baterií, a dobře vede proud. Je to inovace, která umožnila vytvořit prakticky použitelnou lithiovou baterii (a byla také jedním z největších úspěchů nositelů letošní, dlouho očekávané Nobelovy ceny za chemii.
Ideální fyzikální vlastnosti pro toto využití ovšem nemá. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku (LiC6). 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 tento postup také jednu nevýhodu – či přesněji řečeno jednu velkou nevýhodu. Zdaleka nejnepříjemnější je, že po navázání elektronů křemík „bobtná“. A protože jich pojme hodně, výrazné jsou i změny jeho objemu: zvětší se zhruba trojnásobně. Elektroda se pak stejnou měrou samozřejmě po vybití zase zmenší. Stejný efekt se projevuje i u jiných materiálů, včetně uhlíkových anod, ale u těch není zdaleka tak výrazný, protože pojmou méně elektronů.
Vzhledem k vlastnostem křemíku mají malou příměs tohoto materiálu v anodě (zhruba jedno procento až tři procenta) díky technologii od Panasonicu například elektromobily Tesla, jak prozradil Elon Musk v roce 2016. Řádově jednotky procent obsahu křemíku mají v bateriích i další výrobci. Největší podíl křemíku v bateriích má zřejmě společnost Amprius (o níž jsme psali), která prodává materiály se zhruba desetiprocentním podílem křemíku.
Důvod je asi čtenáři jasný: podíl křemíku mírně (znovu řádově o několik procent) zvyšuje kapacitu baterie. Ovšem podíl musí být malý, aby baterie netrpěla problémy spojenými s použitím tohoto materiálu. 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.
Jak postavit elektrodu z křemíku
Vyjde to?
Po letech laboratorního výzkumu se nyní hned několik společností (kromě Sila například Enovix, Envia, Amprius) domnívá, že se jim problém podařilo z velké části vyřešit. Obecně řečeno se všechny snaží vyvinout anody, které by dokázaly nárůst objemu křemíku kompenzovat na mikroskopické úrovni.
Sila si stejně jako řada jiných své řešení pečlivě střeží. Víme jen, že jejím řešením je speciálně navržený materiál, který z poloviny tvoří křemík – a zbytek neznámé „neuhlíkaté látky“ (firma se chce uhlíku v elektrodách zbavit zcela). Látka je obsažena v „lešení“ z jiného materiálu, který umožňuje změny objemu křemíku. Vše je pokryto další odolnou vrstvou, která brání elektrolytu v průniku do materiálu.
Výrobce aspoň zatím přiznává, že vylepšení jsou zatím spíš drobná a zdaleka se neblíží hranici absolutních možností této technologie. Sila tvrdí, že teoretická horní hranice kapacity křemíkových anod je zhruba o řád vyšší než u současných uhlíkových anod. Pro svoji technologii výrobce uvádí horní hranici kolem 3 600 miliampérhodin na gram (mAh/g), u dnešních uhlíkových elektrod je zhruba 370 mAh/g.
To je ovšem hudba budoucnosti. Řádové zlepšení rozhodně nelze v blízké době očekávat. Sila Technologies poněkud nejasně uvádí, že její výrobky by mohly mít proti dnešním bateriím kapacitu vyšší zhruba o dvacet procent, výhledově možná až o čtyřicet procent. Vzhledem k tomu, že materiál katody se výrazně měnit nebude, navýšení kapacity na jednotku (ať už objemu či hmotnosti) lze přičíst na vrub anody.
Ovšem nejdůležitějším parametrem pro současné baterie je stále cena; v případě elektromobilů poněkud nižší dojezd není pro většinu uživatelů nepřekonatelný problém. V této oblasti firmy jako Sila svá technologická tajemství hlídají nejpečlivěji a my si o nich netroufáme dělat žádné pevné závěry. Neříká samozřejmě, že by technologie byla drahá: firma uvádí, že její proces je navržen tak, aby ho šlo snadno integrovat do dnešních výrobních závodů a ve velkém měřítku byl levnější než dnešní výroba baterií. Ale takové jsou na papíře všechny nové technologie.
Zvítězí někdo jiný?
Sila může stejně dobře selhat a skončit v bankrotu. V tuto chvíli se ovšem zdá, že blízká budoucnost je v křemíku. V nějaké formě se zřejmě v příštích letech na jeho využití dojde v poměrně širokém měřítku.
Mimo jiné i proto, že jde o dobře známý a používaný materiál, především díky zkušenostem polovodičového průmysl. Na to sází konkurence Sila Technologies, společnost Enovix. Ta vytvořila své první funkční kusy z tenkých křemíkových waferů, což jsou disky z polovodiče, jakýsi „poklad“, na který se pak následně vytvářejí mikroobvody. (Mimochodem, Sila nepoužívá drahé wafery v kvalitě pro čipy, ale levnější podklady pro výrobu fotovoltaických panelů). Baterie má celou řadu dalších pokročilých prvků, které jsou dnes obecným předmětem zájmu (bezpečnější, tedy méně hořlavý separtátor atp.).
V posledních dvou letech se ovšem design baterie poměrně zásadně změnil. Enovix se pokouší prorazit v oboru baterií pro elektromobily a zjistil, že křemíkovou baterii nelze škálovat do požadovaných rozměrů. Substrát baterie, kterou doufá prodat automobilkám, proto tvoří kovová fólie, nikoliv křemíkové wafery. Podle vyjádření firmy je anoda i nového typu tvořena čistě křemíkem a křemičitými materiály. Konstrukčně je baterie údajně navržena tak, aby rozpínání anody pomáhalo kompenzovat tlak okolního materiálu. Ovšem i tak nejspíš musí být anoda v mikroskopickém měřítku velmi porézní.
Také Evinox tvrdí, že by se jim v dohledné době mělo podařit zvednout kapacitu baterií o „třicet až sedmdesát procent podle určení“, což řekl časopisu IEEE Spectrum před časem spoluzakladatel firmy Ashok Lahiri. Vzhledem k tomu, že kapacita lithiových baterií od jejich uvedení na začátku devadesátých let roste řádově o nižší jednotky procent ročně, představoval by takový vývoj pro již tak velmi dynamický obor velký skok vpřed.
Zvlášť pokud nepůjde pouze o zvýšení kapacity řádově o nízké desítky procent, ale také o zrychlení dobíjení primárně díky tomu, že elektroda by mohla být tenčí, a přitom si zachovala nutné výkonové parametry. A protože teoretický potenciál křemíkových anod je tak vysoký a možnost dlouhodobého zlepšování parametrů velmi pravděpodobná, křemík v elektrodách čeká velmi pravděpodobnost světlá budoucnost.
Z laboratoře firmy Sila Technologies
Kdy to vlastně bude?
Samozřejmě je otázkou, kdy přijde. Ano, průmyslových partnerů vývojářů v oboru sice pomalu přibývá, ale zatím trh s křemíkovými elektrodami rozhodně nezažívá jen úspěchy. Můžeme připomenout velké potíže anglické firmy Nexeon, která v roce 2014 musela uzavřít provoz za zhruba sto milionů korun. Výroba křemíkových elektrod s nanomateriály podle jejího receptu se ukázala příliš drahá a složitá. Z neúspěchu se oklepala, ale v současnosti spíš „přežívá“.
Nexeon tedy zatím hledá zákazníky pro svou „hybridní“ technologii elektrody, která kombinuje v anodě křemík a uhlík, zatím také s obsahem zhruba do deseti procent křemíku (podobně jako dnes Amprius, ale materiál má zřejmě jinou strukturu a tedy odlišné parametry). Přesně to je směr, kterým se podle analytiků bude obor křemíkových anod v příštích letech ubírat. Výrobci jsou opatrní, třeba i kvůli obecně známým problémům Samsungu s bateriemi v Note 7.
Právě korejský výrobce by přitom údajně měl být jedním z odvážných experimentátorů: podle zpráv z jara letošního roku se uvažovalo, že část nositelné elektroniky této značky by ještě do konce roku 2019 mohla mít baterie s křemíkovými anodami. Ovšem potvrzení jsme se zatím nedočkali, a to nasvědčuje spíš tomu, že z projektu mezitím sešlo, nebo se aspoň odložil.
Dá se ovšem očekávat, že až (spíš než když) se křemíkové anody poprvé ve větším měřítku ujmou, bude to právě tam, kde na ceně tolik nezáleží. (Pro představu, anoda tvoří deset až patnáct procent ceny baterie.) Nositelná elektronika je celkem zajímavý příklad, i proto, že výrobek nemusí splňovat tak přísné požadavky na trvanlivost, odolnost a spolehlivost jako například baterie pro elektromobily. Ostatně výmluvné je, že Daimler – ba ani Sila, která stejně jako jiné start-upy reklamu nutně potřebuje – zatím nemluví o tom, kdy by se křemíkové anody mohly objevit v autech.
Pro dražší, ale výkonnější baterie se určitě najdou i další možnosti využití. Již zmiňovaná společnost Amprius například podle oznámení z konce letošního října bude spolupracovat s firmou Airbus. Měla by pro evropského leteckého výrobce dodávat baterie s vyšší energetickou hustotou pro výškový dron Zephyr. Jde o výškový bezpilotní letoun s bateriemi dobíjenými fotovoltaickými panely, který by měl vydržet ve vzduchu dlouhé týdny až měsíce. Mohl by pak sloužit jako levnější alternativa ke komunikačním družicím.
Výraz „levnější“ bychom měli brát v tomto kontextu ovšem s rezervou – jde stále o specializovaný výrobek pro trh, kde je konkurence malá a ceny vysoké. Pro takové „zvláštní použití“ se výkonnější baterie mohou hodit i při poměrně vysoké ceně. Příliš vysoké na masové nasazení třeba v elektromobilech.
Analytici tak všeobecně očekávají, že růst anod s obsahem křemíku bude i přes jejich výhody pouze postupný. Možná relativně rychlý (jedna analýza odhadovala kolem sedmnácti procent ročně), ale postupný.
