Společnost Daimler na začátku října letošního roku dokončila před několika měsíci oznámený nákup podílu ve společnosti Sila Nanotechnologies. A to by mohlo znamenat, že zájemci o elektromobilitu by se mohli v příštích letech dočkat baterií s výrazně zajímavějšími výkony. V roce 2011 založená společnost Sila je totiž jedním z nejviditelnějších start-upů v oblasti vývoje generace baterií, které by využívaly křemík místo dnes populárního uhlíku.
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 tvořena 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 baterii a dobře vede proud. 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; v anodě tvoří sloučeninu Li22Si5. Tato výhoda je dlouho známá a s křemíkem se hojně experimentovalo, bohužel má tento postup také své nevýhody – či přesněji řečeno jednu velkou nevýhodu, se kterou se výrobci marně snaží bojovat už roky. Po pohlcení elektronů křemík „bobtná“ a mění svůj objem, a to velmi výrazně – pro představu zhruba trojnásobně. Elektroda se pak stejnou měrou samozřejmě po vybití zase zmenší. Stejný efekt se projevuje i u jiných materiálů, včetně uhlíkových anod, ale tam vzhledem k poměrně malé kapacitě není zdaleka tak výrazný.
Vzhledem k vlastnostem křemíku malou příměs tohoto materiálu v anodě (cca 1 až 3 %) mají díky technologii od Panasonicu například elektromobily Tesla, jak odhalil Elon Musk v roce 2016. Řádově jednotky procenta obsahu křemíku mají ve svých bateriích i další výrobci, protože se tím mírně (řádově o několik procent) zvyšuje kapacita baterie. Zároveň musí ovšem být podíl křemíku 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.
PŘIŠEL ČAS?
Sila (stejně jako další společnosti, například Enovix, Envia, Amprius) se snaží vyvinout anody, které by dokázaly nárůst objemu křemíku kompenzovat na mikroskopické úrovni. Po letech laboratorního výzkumu se nyní hned několik týmů domnívá, že se jim problém podařilo v laboratoři v podstatě vyřešit. Sila si stejně jako řada jiných své řešení pečlivě střeží. Víme, že jejím řešením je materiál, který z poloviny tvoří křemík – a zbytek neznámé „neuhlíkaté látky“. Jak asi čtenáře již napadlo, jde o velmi porézní materiál, ve kterém mají křemíkové atomy dostatek volného místa, a mohou tedy měnit objem bez narušení strukturální integrity celého „lešení“. Zároveň je však pokryt odolnou vrstvou, která brání elektrolytu v průniku do materiálu. Víme také, že nová anoda by neměla obsahovat žádný uhlík: Sila se chce tohoto materiálu zbavit zcela, ne ho pouze částečně nahradit. Ovšem o mnoho více nevíme.
Výrobce alespoň zatím přiznává, že vylepšení jsou zatím spíše drobná, a zdaleka se neblíží hranici absolutních možností této technologie. Sila uvádí, že teoretická horní hranice kapacity křemíkových anod je totiž kolem 3 600 mAh/g, což je zhruba desetkrát více než u grafitu (372 mAh/g). Takové zlepšení ovšem rozhodně nelze v blízké době očekávat, a to ani zdaleka.
Kalifornská firma poněkud nejasně uvádí, že její výrobky by mohly mít proti dnešním bateriím kapacitu vyšší zhruba o 20 %, výhledově možná až o 40 %. Vzhledem k tomu, že materiál katody se výrazně měnit nebude, navýšení kapacity na jednotku (ať už objemu, či hmotnosti) lze téměř plně přičíst zmenšení anody.
Ovšem nejdůležitějším parametrem pro současné baterie je stále cena; v případě elektromobilů poněkud nižší dojezd není pro většinu uživatelů nepřekonatelný problém. A 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.
To se přesvědčivě ukáže ovšem až ve chvíli, kdy se o to výrobci skutečně pokusí. K tomu by ovšem mělo dojít poměrně brzy: údajně již v průběhu letošního roku se první baterie z linky Sily dostanou do nositelné elektroniky firmy Samsung.
To je samozřejmě poněkud jiný obor než elektromobily. Za prvé nejsou zákazníci tak citliví na cenu, za druhé nemusí produkt splňovat tak přísné požadavky na trvanlivost, odolnost a spolehlivost jako u automobilových baterií. 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 automobilových bateriích.
ZVÍTĚZÍ NĚKDO JINÝ?
Jak jsme již zmínili, křemík díky svým perspektivním vlastnostem je předmětem zájmu i dalších společností, každé se svou vlastní technologií. Poměrně dobrou představu máme například o postupu firmy Enovix.
Ta využila znalostí polovodičového průmyslu, a vytvořila své první funkční kusy z tenkých křemíkových waferů z čistého křemíku (ovšem ne v nejvyšší kvalitě, stačí méně kvalitní materiál pro výrobu fotovoltaických panelů). Samozřejmě jde o poněkud nestandardní materiál, protože se musí počítat se změnami objemu při nabíjení a vybíjení baterie. Anoda je tedy velmi porézní. Baterie měla celou řadu dalších pokročilých prvků, které jsou dnes obecným předmětem zájmu (bezpečnější, tedy méně hořlavý separátor atp.), samotná výroba probíhá s pomocí techniky známé právě z polovodičového průmyslu a s využitím dnešních zkušeností s produkcí mikroelektromechanických systémů.
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 navržena tak, aby tlak anody byl pod takovým tlakem, že nebude docházet k nadlimitnímu rozpínání materiálu.
I Enovix tvrdí, že by se jim v dohledné době mělo podařit zvednout kapacitu baterií o „30 až 70 % podle určení“, jak řekl časopisu IEEE Spectrum před časem spoluzakladatel firmy Ashok Lahiri. Vzhledem k tomu, že kapacita lithiových baterií od jejich uvedení na začátku 90. let roste řádově o jednotky procent ročně, představoval by takový vývoj pro již tak velmi dynamický obor doslova revoluční změnu.
Zvláště, 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 pravděpodobně světlá budoucnost. Samozřejmě, zda opravdu jeho okamžik již přišel, nebo se zatím Daimler, BMW a další ve svých investicích zklamou, teprve uvidíme.