Fyzik I Cchuej je podle všech měřítek multimilionář, ovšem svou Teslu Model S má jen na leasing. Doufá totiž, že za pár let si pořídí nový model s jedním zásadním vylepšením: „Doufám, že v novém autě budou naše baterie,“ řekl letos reportérům časopisu Science.
To může znít jako bohapusté vychloubání, ale v případě tohoto vědce čínského původu to tak být nemusí. Před šesti lety odborník ze Stanfordovy univerzity spoluzakládal firmu Amprius, která se od roku 2010 změnila z malého start-upu na společnost s odhadovanou hodnotou deset miliard dolarů. Dodejme rovnou, že tato hodnota je hodně spekulativní, ale velmi dobře naznačuje vysoké ambice společnosti i jejího zakladatele.
I Cchuej, jehož ve vědecké literatuře najdete pod anglickým přepisem Yi Cui, je jedním z těch výzkumníků, kteří se pokoušejí výrazně zvýšit možnosti současných baterií. Soustředí se na nejnadějnější a nejpoužívanější typ, lithium-iontové baterie. Není samozřejmě v žádném případě sám. O totéž se pokoušejí velké společnosti jako Apple, LG, Samsung, Panasonic či Tesla (která pomalu spouští největší továrnu na baterie na světě). Amprius a podobné malé firmy se mezi nimi snaží sehrát roli černých koní, který přichází s neotřelými nápady.
„Amprius využívá inovací v nanotechnologiích k řízení chemických procesů,“ řekl pro Scinece fyzik Wej Luo z univerzity v Marylandu. Na rozdíl od řady jiných „baterkářských“ firem se tedy nesnaží vylepšit chemické složení baterií, chce změnit jejich vnitřní uspořádání. Snaží se vytvořit baterie s velmi komplikovanou strukturou, která umožňuje rychlejší výměnu iontů bez nežádoucích vedlejších reakcí. V celé sérii laboratorních experimentů I Cchuej předvedl, že jeho mikroarchitektura umožňuje využít řadu procesů, které se chemikům jinak nedařilo příliš zvládnout.
Amprius už také začal dodávat první baterie zákazníkům. Ne do elektromobilů, ale do mobilních telefonů. Důvod je prostý: nároky na tento typ baterií jsou nižší. Baterie do elektromobilů musí být opravdu trvanlivé, snášet dlouhodobě nepříznivé podmínky a přitom si zachovat vysokou spolehlivost, jinak hrozí katastrofální nehody. Baterie do mobilů jsou navíc levné, a zákazník (a to jak ten koncový, tak odběratel Ampriusu) jejich selhání přece jen přijme s menší nevolí.
Firma dodává především některým čínským výrobcům a její specialitou jsou baterie s kapacitou kolem 5000 mAh, které v tomto ohledu představují naprostou světovou špičku. Tradiční konkurenty převyšuje kapacitou ve stejném objemu jen zhruba o deset procent, ale i to je zajímavý rozdíl. Pro investory Ampriusu je ovšem důležitější, že teoretické hranice možného vylepšení leží ještě podstatně výše.
Dnes dostupné komerční li-ion baterie mají zhruba pětinásobek kapacity nikl-kadmiových článků používaných v 80. letech. Za poslední dekádu se stejný ukazatel (tedy kapacita) zvýšil asi dvojnásobně (I Chuej ji v jedné své letošní prezentaci určil na cca 200 Wh/kg pro samotné články, zhruba poloviční pak pro finální baterii). Pokrok byl tedy poměrně setrvalý, ale spíše mírný. Kdyby se ho podařilo zrychlit tak, jak naznačují laboratorní výsledky Ampriusu, znamenalo by to přelom nejen v elektromobilitě.
Budoucnost je v křemíku
Jak na to? „Li–ionky“ jsou v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody, oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (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.
Jak postavit elektrodu z křemíku
Uhlík se pro anody používá, protože dobře vede proud, má ovšem z fyzikálních důvodů velmi omezenou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. 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 také velmi nepříjemné vlastnosti. Významnou je, že po pohlcení elektronů „bobtná“ - velmi výrazně se změní jeho objem, a to několikanásobně (řekněme pro jednoduchost zhruba na trojnásobek původního). 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. (Dodejme, že křemík ve velmi malém množství (cca 1 až 3 procenta) používají díky technologii od Panasonicu třeba elektromobily Tesla. Příměs je tak malá, že nárůst objemu není velký problém a zvýšení kapacity o několik procent za něj stojí.)
I Cchuej se domnívá, že ví, jak problém obejít. Postup jeho firmy využívá toho, že v nanorozměrech se materiály leckdy chovají jinak než v makrorozměrech. Jeden důvod je třeba ten, že velká část atomů je vlastně na povrchu, a má tedy méně sousedů, kteří by je udrželi na místě v případě namáhání. Materiály tak mohou být v nanorozměrech výrazně pružnější, než jsme zvyklí. Ukázalo se to i v případě křemíku: I Cchuej už v roce 2008 ukázal, že tenké křemíkové drátky vydrží změny objemu při nabíjení a vybíjení podstatně lépe než anody z většího kusu křemíku.
Jak asi tušíte, objevily se ovšem jiné problémy. Na nanodrátech se například vytvářely „jizvy“, které poměrně rychle snížily kapacitu anody na neúnosnou míru. Tým ale přišel s dalším nanotechnologickým řešením: vytvořil kolem křemíkových atomů klece z vodivého uhlíku, které jim poskytly dostatek prostoru k rozpínání, ale přitom bránily roztržení nanodrátů. V roce 2012 I Cchuej s kolegy v práci pro časopis Nano Letters napsal, že takováto anoda si i po tisíci cyklech udržela 74 procent kapacity. To není dost na běžné používání, ale i tak to bylo zlepšení o nejméně o dva řády. A v roce 2014 už se dostali na 97 procent kapacity po 1000 cyklech.
Nanodráty jsou ovšem výrobně drahé a náročné. Tým Ampriusu proto přišel s jednodušším, byť trochu méně účinným řešením: obalili kousky křemíkové anody vrstvou grafenu (to je vrstva uhlíku o síle jednoho či několika atomů). Nestačí na to, aby anoda vydržela zcela pohromadě, ta se po několika nabitích roztrhá, ale to nevadí. Grafen totiž dokáže zabránit průniku elektrolytu ke křemíku, a „rozdrobená“ anoda si stále zachovává své vlastnosti a je nadále funkční.
Kam dál
Amprius zatím prodal zhruba milion baterií tohoto typu pro mobilní telefony. Jak jsme již uvedli v úvodu, jejich kapacita je asi jen o 10 procent vyšší než u konkurence. Firma proto hledí k zavedení baterií s nanodráty obalenými uhlíkovým „krytem“, které by měly mít kapacitu vyšší zhruba o 40 procent. V červnu letošního roku předvedli potenciálním průmyslovým partnerům svůj experimentální provoz na výrobu těchto baterií v Nizozemsku ve spolupráci s technologickou firmou Meyer Burger.
Jak moc se jim líbilo a co viděli, to nevíme. Jistě víme v tuto chvíli jen to, že nanodráty v Ampriusu končit nechtějí. I když i firma sama uznává, že křemíkové anody bude možné i nadále výrazně vylepšovat, ohlíží se po ještě lákavějších cílech. S pomocí postupu ochranných „nanoobalů“ by chtěli uspět třeba s výrobou anody z čistého lithia, které je považováno za fyzikálně nejlepší možný materiál pro anody vůbec. Obal by měl v tomto případě možná být z malých uhlíkových nanokuliček, či kombinací zlatých nanočástic s uhlíkovými. Zatím není nic rozhodnuto, výzkum probíhá, ale případný nárůst výkonů baterií by byl znovu velmi výrazný.
Pohled na malou výrobní linku Ampriusu v čínském Nankingu
Proměnit by I Cchuej chtěl i druhou stranu baterií, tedy katody. Své zkušenosti s nanotechnologiemi upnul k využití síry jako materiálu pro katodu. Síra je extrémně levný materiál (tedy z hlediska výroby baterií) a teoreticky může udržet na stejný objem několikanásobně více elektronů než dnešní materiály. Bohužel s běžnými elektrolyty reaguje tak nešťastně, že produkty těchto reakcí baterii rychle zničí.
Ale týmu se znovu podařilo vytvořit „nanoklece“ pro atomy síry, které brání chemickým reakcím s elektrolytem a zlepšují i některé další její vlastnosti (např. jak snadno uvolňuje náboj). Materiál je v tomto případě ne úplně praktický oxid titanu, ale práce je v poměrně rané fázi, a snad se tedy podaří najít vhodnější náhradu.
Pokud by se Ampriusu podařil podobný pokrok na anodě i katodě, desetimiliardové ohodnocení by se změnilo na úsměvnou historku z dob, kdy „firma byla ještě v plenkách“. I Cchuej a jeho kolegové hrají o historickou šanci stát se potenciálně jednou z největších firem v dějinách, a možná motorem další velké energetické revoluce.
Samozřejmě je tu velmi reálná možnost, že prohrají - a s nimi i jejich investoři. Objektivních informací je poměrně málo, nadějí a zainteresovaných stran naopak přehršel, a tak těžko odlišit skutečně důležité informace od šumu. Možná i Amprius a hvězda I Cchueje s jeho gloriolou „nanorevolucionáře“ brzy vyšumí. Ale vsaďte si proti nim, když se jim zatím tak daří.
Článek byl převzat z časopisu Svět plný energie, a byl redakčně upraven. Originál najdete zde.
Druhý a třetí do (licitovaného) mariášeAmprius není jedinou malou společností, o které se v posledních letech a měsících mluví v souvislosti se zvýšením výkonů baterií. Představme si ještě další dvě, které si jak shodou okolností (díky přítomnosti v Kalifornii), tak díky předvedené technologii získaly značnou pozornost a s ní související finanční prostředky. ENOVIX Společnost Enovix byla založena v roce 2007 a dnes má za sebou sto milionů dolarů strategických investic od Intelu, Qualcommu a Cypress Semiconductor. Její hlavní technolog Ashok Lahiri tvrdí, že i jeho společnost má stoprocentně křemíkovou anodu. Architektura baterie je podle něj navržena tak, aby se vypořádala se změnami objemu anody bez poškození. K výrobě se prý používají postupy odvozené z výroby solárních panelů, takže cena by neměla být přehnaná. Zatím máme k dispozici jen cenové (a také patrně optimistické) odhady pro předsérivou výrobu, které více než dvojnásobně přesahují obecně uznávaný standard pro skutečně konkurenceschopné elektroautobaterie (300 dolarů za kilowatthodinu proti 125 $/kWh). Společnost má ovšem již zmíněné velmi zajímavé partnery: Cypress používá stejné výrobní postupy a má s nimi ohromné zkušenosti, Intel a Qualcomm jsou potenciální zákazníci. ENVIA: Start-up s velmi pošpiněnou reputací dokázal obrazně řečeno vstát z mrtvých. Firma slíbila dodat společnosti GM levné baterie s vysokou kapacitou pro její elektromobily, ale GM ze smlouvy vycouvalo, když si baterie vyzkoušelo. To bylo před čtyřmi lety, dnes prý má firma baterii s křemíkovou anodou, kterou by už příští rok mohla začít dodávat výrobcům mobilů. Pak chce vyvíjet větší model pro drony. Odhady cen v podstatě nezveřejnila, což znovu naznačuje, že konkurenceschopná ještě úplně nebude. Šéf firmy Sujeet Kumar se také letos v květnu po dlouhé době objevil před odbornou veřejností, a vysvětloval mimo jiné také neúspěch s GM. Trval na tom, že firma skutečně může postavit baterii s vysokou kapacitou (zhruba dvojnásobkem dnešních komerčních typů), ale ta zatím není dost robustní, aby vyhověla požadavkům automobilek a obtížím běžného provozu. Zároveň řekl, že podle jeho odhadů je praktický limit kapacity li–Ion baterií, a to i těch s křemíkovou anodou, na hranici méně než dvojnásobku dnešních hodnot, přesněji na cca 350 Wh/kg. To je poměrně pesimistický odhad, ale i tak by to byl samozřejmě výrazný pokrok. |
