Téma týdne

Čekání na magickou baterii

Baterii lze jen stěží považovat za vzrušující technologii. A přesto se dnes ocitá v centru pozornosti. S její krátkodechostí zápasíme denně, pokaždé, když se nám vybíjí telefon. Rozjezd elektrických automobilů brzdí její malý výkon. Dočkáme se lepšího?

Čekání na magickou baterii
Čekání na magickou baterii

Historická zkušenost nám říká, že populární představy o technologickém pokroku stály na víře v zázračné a vzrušující vynálezy. Letecká doprava měla zaručit světový mír a internet sliboval radikální demokracii. Podobně jako v touze po zdraví hledají lidé všelék, sází se často i v oblasti techniky na to, že jedna technologie dokáže naráz vyřešit velké množství problémů. Kdo by byl řekl, že svatým grálem se stane něco tak všedního a nenápadného, jako je baterka.

Svět v pohybu zoufale potřebuje silnou baterii, ať už pro mobil nebo elektromobil. Několikadenní výdrž mobilního telefonu už je pomalu předmětem nostalgie. S rostoucí nabídkou funkcí chytrých telefonů ztrácejí jejich baterky dech. To nás nutí hlídat jejich stav víc než kdy v minulosti.

Rychlost procesorů a datová kapacita chytrých telefonů stoupá, ale vývoj výkonnější baterie zaostává. Tomu se přizpůsobuje design telefonů a jejich funkcionalita. Proto si například Apple přísně hlídá vývoj mobilních aplikací. S ohledem na výdrž mu velmi záleží na tom, aby aplikace nemrhaly energeticky náročným procesorovým časem. U iPhonu a iPadu proto omezuje multitasking, na který jsme si zvykli u laptopů a stolních počítačů.

Ostatně úspornost takto vnucená nám kolikrát nestačí a doplňujeme ji úsporností vlastní. Snižujeme světelnost displeje, či jej dokonce vypínáme. „Zbývající baterka“ se nám stává jakýmsi šestým smyslem, který autoritativně rozhoduje o tom, jak telefon používáme. Ostatně spousta lidí připouští, že doma zapomenutý mobil pociťují jako amputaci. Není divu, že přítomnost náhradní baterie ve chvíli, kdy skomírající baterka hrozí koncem brouzdání po síti, pociťují takřka jako tělesný požitek.

Právě kvůli zoufale slabým bateriím zůstává i koupě auta se spalovacím motorem stále mnohem přijatelnější než elektrická alternativa. Tedy pokud vás netrápí klimatické svědomí tolik, že investujete do značně kratšího dojezdu a zdlouhavého dobíjení, které elektromobily pořád sužuje.

Omezíme-li se zde na spotřební elektroniku a automobilovou dopravu, jeví se baterka jako technologické škrtidlo. A co si budeme povídat: zatímco v druhém případě brzdí ekologicky přijatelnější dopravu, v případě prvním okřesává mimo jiné také onu nutkavou potřebu být „na příjmu“ a „online“ kdykoli a kdekoli. V obou případech však baterie zahrazuje další rozvoj trhu. Není proto divu, že právě vývoji „magické“ baterie se v posledních letech věnuje tolik výzkumně-inženýrské pozornosti. Průmyslový výzkum baterie probíhá už víc než sto let. Nikdy však v minulosti nebyla potřeba – tak jako dnes – zvýšit nejen její kapacitu, ale především snížit její váhu.

Váha je určující faktor všude tam, kde jde o skladnost a přenosnost, jako právě u baterií do příruční spotřební elektroniky nebo v automobilech. Přesněji řečeno poměr váhy a objemu elektrického náboje měřený ve watthodinách na kilogram vymezuje škálu, na které se dnes hledá všelék na nemoci energie, která se bude přemisťovat spolu s uživatelem zařízení. Například nadace XPRIZE, která uděluje mimořádné finanční odměny za průlomové technické objevy, za takový milník prohlašuje baterii o pěti stech Wh/kg, kterou lze nabít opakovaně alespoň devětapadesátkrát. Jen pro srovnání: nejlepší lithiová baterie dnes dosahuje nanejvýš polovinu takto nastavené laťky, zatímco benzín – jakkoli je kvůli spalování použitelný jen jednou – v sobě nese až 12 000 Wh/kg. Baterie má tedy opravdu co dohánět.

Zatímco rychlost mobilních čipů stoupá víceméně stabilně v tempu pravidelného zdvojnásobování, baterie užitek těchto rychlostí tvrdohlavě znehodnocuje s tím, jak se odmítá tomuto tempu přizpůsobit. Fakt je, že za posledních dvacet let, co trhu s bateriemi dominuje lithium-iontová technologie, se vývoj vyšších kapacit oproti minulosti sice značně zrychlil. Ale stejně je toto zrychlení v porovnání s exponenciálním růstem všeho toho, čemu baterie dodává šťávu, výrazně nižší. Shara Tibken a Ian Sherr v článku pro CNET uvádějí, že dnešní baterie nemá oproti té nejlepší z roku 2007 ani o 30 % větší kapacitu.

Vědci pracují na vývoji lithium-iontové baterie, se kterou se experimentuje od počátku 20. století. (foto: Research towards better lithium-ion batteries, Brookhaven National Laboratory, 2012, Flickr, CC BY-NC-ND 2.0)

Ta technologie se při tom zdá být velmi jednoduchá: vybíjení a nabíjení pevné baterie spočívá v pohybu iontů z anody ke katodě a zpátky přes elektrolytické médium. Najít však správné materiály a zkombinovat je tak, aby výsledná baterie byla ekonomicky výhodná, bezpečná a skladná, je ale nesmírně obtížné.

Hledání této kombinace nezřídka probíhá i tak, že si výzkumník předem nadefinuje požadované vlastnosti a pak nechá superpočítač hledat tyto vlastnosti v databázi tisíců známých materiálů a vypočítat pravděpodobnost jejich použitelnosti. Vedle různých sloučenin lithia se tak dnes jako slibný materiál ukazuje například hliník, magnézium, grafénový papír a uhlíková nanovlákna, para-aramidová vlákna prodávaná pod značkou Kevlar, dřevo, či dokonce rebarbora. Spolu vhodnými materiály se testují i různé postupy zpracování. Jejich výrobu totiž nemusí zajišťovat ani tak stroj nebo chemický proces, ale například virus.

Rebarborový koláč? Ne, raději rebarborovou baterii. Michael J. Aziz z Harvardské university vyvinul baterii na bázi uhlíku, která se obejde bez kovů. (foto: Eliza Grinnell, SEAS Communications)

Těžba lithia v Nevadě (foto: Doc Searls, Flickr, 2010, CC BY 2.0)

Jakkoli exoticky a překvapivě tento výčet může působit, střízlivý odhad naznačuje, že hlavní hmotou ve světě baterií bude i nadále lithium. Žádný materiál k výrobě baterií není dnes tak oblíbený jako tento kov, přestože jiné dokážou uchovat i mnohem větší náboj – což je případ vanadu, jehož přijatelnost však sráží nepoměrně vyšší cena. Význam lithia, v minulosti používaného i jako stabilizátor nálady v psychiatrické léčbě, plyne také z toho, že jde o nejlehčí kov v tabulce chemických prvků.

Společnost Tesla, jeden z členů zmiňované nadace XPRIZE, v čele s magnátem Elonem Muskem v současnosti sází právě na lithium. Staví totiž obrovskou továrnu na výrobu baterií pro svá elektrická auta, která bude nejspíš největší budovou na světě.

Foto z návštěvy rozestavěné takzvané Tesla Gigafactory v Nevadě. (zdroj foto: The Tesla Gigafactory Construction Tour, PROSteve Jurvetson, 2015, Flickr, CC BY 2.0)

Tak či onak to s „magickou“ baterií pro telefony a auta, která by dokázala uchovat několikanásobně víc energie než ty stávající, nevypadá v blízké budoucnosti příliš nadějně. Rozestup mezi základním (co je vůbec možné) a aplikovaným výzkumem (jak to bezpečně a výhodně použít) bývá řádově v desítkách let. A do fáze aplikovaného výzkumu teprve nyní vstupuje ta nejnadějnější technologie: baterie kombinující lithium – poněkud překvapivě – se vzduchem. Největší překážkou jejího komerčního užití představuje vysoké nebezpečí samovznícení. Už teď se ale dá s velkou jistotou říct, že význam lithia bude dál stoupat. Na místě se zdá být tedy i otázka, jestli v souvislosti vyhrocením problémů, které přináší naše závislost na fosilních palivech, nedojde také k tomu, že ropné kartely vystřídají kartely lithiové.

9. 2. 2016 Text: Soběslav Neřád (doktorand sociologie na FF UK), úvodní foto: Army scientists energize battery research, U.S. Army RDECOM, Flicker, 2012, BY-SA 2.0