Akumulátor, který udrží smartphone nabitý celý týden nebo umožní elektromobilu na jedno dobití přejet dvě třetiny Evropy – takové věci dnes neslibují ani spisovatelé sci-fi. I ti už vědí, že jejich čtenáři jsou k příslibům „zázračných nových baterií“ velmi skeptičtí. Najdou se ovšem seriózní a vážení vědci, kteří se takového slibu nebojí. Nejvěhlasnějším věrozvěstem revoluce ve skladování elektřiny je Američan John Goodenough. Možná si ho pamatujete i ze stránek našeho časopisu; v roce 2019 získal Nobelovu cenu za svůj podíl na vývoji lithium-iontových akumulátorů. Ty už jednu revoluci v oboru akumulace energie přinesly, protože umožnily rozvoj přenosné elektroniky. Bez nich bychom těžko mohli po kapsách nosit výkonné počítače, kterým jsme si zvykli říkat telefony, a automobilka Tesla by rozhodně nemohla vyrábět sportovní či luxusní vozy, leda tak – možná – vysokozdvižné vozíky. Pro Johna Goodenougha to ovšem není dost dobré. Zhruba od roku 2015 pracuje s kolegy na vývoji nového typu akumulátoru, pro který se vžil výraz „skleněná baterie“. Jednoduše proto, že článek by neměl využívat kapalného elektrolytu, ale elektrolytu ze skla obohaceného o malou příměs dalších materiálů, v tomto případě některých kovů. Pevný skleněný elektrolyt by měl přinášet celou řadu výhod. Měl by být levný, nehořlavý a samozřejmě také výkonnější. Články by podle autorů nápadu mohly mít zhruba pěti- až osminásobně vyšší kapacitu než dnešní lithiové. To znamená, že by skutečně neměl být problém sestrojit elektromobil s řádově tisícikilometrovým dojezdem (nebo alespoň auto s výrazně levnější baterií). Navíc by design měl umožňovat extrémně rychlé nabíjení, o řád rychlejší než u dnešních lithiových článků. Tým kolem Johna Goodenougha a Marie Heleny Bragové pracuje na tomto tématu roky, zatím vydal devět vědeckých prací v různých časopisech a nechal si zaregistrovat několik patentů. V loňském roce se dokonce objevila informace, že největší energetická společnost provincie Québec – Hydro-Québec – chce investovat do komercializace celého konceptu. Vše se zdá být na dobré cestě, ale pokud byste měli možnost si proti novému akumulátoru vsadit, silně bychom vám to doporučili. Zakopa ný pes Pokud byste Goodenoughův nový vynález hledali na internetu, najdete v podstatě pouze pozitivní PR: řadu rozhovorů s autory, víceméně nadšené články v populárně-naučných časopisech, odborná komunita se však o „skleněných baterkách“ téměř nezmiňuje. Hlasů se ozvalo jen pár a nebyly zdaleka tak pochvalné, jak byste si mohli myslet. „Kdyby to publikoval kdokoli jiný než Goodenough, neměl bych pro tu práci příliš uctivé označení,“ nechal se třeba slyšet Daniel Staingart, materiálový inženýr z Princetonu. Jeho kritika nápadu je sice uctivá – je si plně vědom Goodenoughových zásluh v oboru –, ale také nelítostná a mnohostranná. Pro laika je nejspíše nejlépe pochopitelná jeho výtka, že „skleněný“ akumulátor porušuje první termodynamický zákon, tedy zákon o zachování energie. Ten říká, že množství energie je v rámci jednoho systému konstantní. Podle názoru Staingarta jde prostě o chybu při snaze pochopit, co se v akumulátoru děje. To totiž není úplně jednoduché zjistit – i experimentální článek je poměrně složitý, probíhá v něm celá řada chemických procesů. Výzkum také probíhá na velmi malých článcích s malými výkony, u kterých i poměrně malá chyba měření či jiná chyba v experimentu můžou naměřené výsledky snadno zkreslit. Autoři „skleněné baterie“ ale svá měření interpretují tak, že akumulátor kvůli exotickým jevům na rozhraní obou elektrod a dalším faktorům uvolňuje energii, aniž dochází k chemické přeměně materiálů v ní obsažených. Přitom základ lithiových a dalších chemických akumulátorů spočívá právě v tom, že skladování elektřiny je v nich spojeno s nějakou chemickou reakcí. Například u lithium-iontových akumulátorů dochází při vybíjení ke sloučení lithiových iontů a materiálu katody (dodejme, že při nabíjení se ionty uvolňují a putují do anody, kde se „uhnízdí“ v materiálu, aniž by s ním chemicky reagovaly). Steingart napsal o tématu dlouhý blogový příspěvek, ve kterém si pomáhá příměrem: Goodenough a spol. podle něj „tvrdí, že palivo vlastně neustále reaguje a přitom se nespotřebovává“. Skleněný akumulátor je podle něj jakési perpetuum mobile. Není to jediná „zvláštnost“ nového akumulátoru. Autoři objevu dále uvádějí, že podle jejich názoru v tomto zařízení dochází také ke spontánnímu dobíjení článků. Jak konkrétně, to pouze odhadují, ale akumulátor by se tak choval přesně opačně než všechny dnešní články: ty se v menší či větší míře spontánně pouze vybíjejí. Proč neodvolá Steingart je jedním z mála odborníků na tomto složitém poli, který se revolučnímu typu akumulátoru věnoval, není ovšem jediný. V odborném tisku se objevil například článek týmu z univerzity v rakouském Grazu, který se pokoušel přesně napodobit práci týmu kolem Johna Goodenougha. Na základě svých pokusů a analýz dospěl k závěru, že ve skutečnosti probíhají ve „skleněné baterii“ jiné procesy, než se autoři domnívají. Nemělo by se tedy jednat o převratný vynález, ale chybu, k jakým ve vědě čas od času dochází. V podobných případech se mluví o tzv. patologické vědě. To je terminus technicus, který označuje situaci, kdy se vědci nevědomky odchýlí od vědecké metody a nedokážou tak objektivně posoudit slabiny své práce. Proč se o tom příliš nemluví? Zřejmě v tom hraje roli několik faktorů. Za prvé samozřejmě proto, že samotný výzkum není triviální. Chyby se v takových případech stávají, to není nic neobvyklého. Goodenough je také 98letá legenda oboru a kritizovat jeho současnou práci (i s ohledem na jeho věk) se nepochybně může zdát neslušné a bezohledné. Ve výzkumu akumulátorů je dnes tolik vzrušujících témat, tak proč se pouštět zrovna do oblasti, kde hrozí takový zbytečný konflikt… Dalším faktorem je to, že vědci ve většině případů nedostávají „body“ za vyvrácení cizích omylů. Ověřování a případné vyvracení cizích hypotéz je sice nezbytnou součástí vědeckého pokroku, ve skutečnosti ovšem nebývá tato snaha příliš odměňována. Vědecké časopisy i grantové agentury si mnohem více cení pozitivních výsledků než těch negativních. Takových prací, jakou udělal tým z Grazu, vychází podle mnohých odborníků příliš málo. Z hlediska vědy jako celku je to velká škoda, protože některé omyly pak přetrvávají zbytečně dlouho. V některých oborech (např. biochemii) jde podle řady názorů odborníků z oboru o relativně vážný problém. Jak je to v případě výzkumu akumulátorů, to je těžké posoudit. Ale asi lze bezpečně uvést, že ne každá „převratná inovace“ splní, co slibuje, byť má třeba dobrý původ. Tři otcové „lionek“ Po téměř celé 20. století si tak lidstvo vystačilo s akumulátory, které z velké části vznikly ještě ve „století páry“. Například klasický olověný akumulátor byl poprvé postaven v roce 1859. Situace se začala měnit díky práci řady odborníků a týmů, mezi nimiž vynikají tři jména. Prvním je Stanley Whittingham. Tento Američan vytvořil funkční akumulátor s jednou lithiovou elektrodou. Jak to občas ve vědě bývá, k výsledku dospěl dosti velkou náhodou: věnoval se výzkumu vhodných supravodičů (tedy látek, které vedou elektřinu zcela beze ztrát). Experimentoval se sulfidem titaničitým (TiS2) a zjistil, že to sice není materiál supravodivý, ale mohl by velmi dobře fungovat jako elektroda v baterii. V podstatě (a samozřejmě poněkud nepřesně) si ho lze představit jako plástev s mnoha vrstvami, mezi které se schovávají ionty lithia. Akumulátor tedy stále „pohání“ lithium, ale může ho obsahovat méně a v méně nebezpečné formě. Výsledek byl ovšem polovičatý: Whittingham postavil akumulátor s katodou ze svého nově objeveného zázračného materiálu a anodou z čistého lithia. Vznikl tak dobíjecí článek s vysokou hustotou energie a vhodným rozsahem pracovních teplot – ale také bohužel poměrně nebezpečný, se sklony k samovznícení. Velikým problémem se ukázaly být „výhonky“ (dendrity) čistého kovového lithia, které nakonec dorostly až k druhé elektrodě a způsobily zkrat. Požáry ve Whittinghamově laboratoři byly údajně tak časté, že mu místní hasiči začali účtovat použití speciálních směsí nutných pro hašení lithia. Obchodní úspěch se nakonec nekonal a ke slovu přišli další. V 80. letech minulého století John Goodenough rozvinul Whittinghamům nápad a přišel s klíčovou inovací ve vývoji lithiových baterií. Jeho tým zjistil, že při využití katody z oxidu lithia a kobaltu (tzv. oxid kobaltolithný, chemickou zkratkou LiCoO2) stoupne napětí na dvojnásobek, tedy zhruba na 4 V. To je fenomenální výsledek a LiCoO2 je od té doby jedním z nejpoužívanějších materiálů v bateriích. (Později pak jeho skupina jako první přišla s další podobou lithiových akumulátorů, dnes stále rozšířenějších lithium- -železo-fosfátových akumulátorů, tedy s katodou z LiFePO4). Třetím byl japonský výzkumník Akira Jošino. Ten přišel na to, jak učinit baterii výrazně bezpečnější: dokázal se totiž zbavit elektrody z kovového lithia. Katodu vyrobil z Goodenoughem objeveného oxidu lithia a kobaltu a zkoušel k ní anody z různých uhlíkatých materiálů, které by sloužily jako „klec“ na lithiové ionty. Průlomu dosáhl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %). Lithiové akumulátory tak byly po desetiletích teoretických úvah a pokusů připraveny ke každodennímu využití. Uvedení do praxe se dočkaly v roce 1991 a od té doby jejich význam jen a jen roste. /jj/
