Pokud mají elektromobily někdy na světových silnicích plně vytlačit benzínová auta, budou potřebovat zcela nový typ baterie. Navzdory neustálému zlepšování energetické hustoty a životnosti lithium-iontových baterií v posledních deseti letech články v nových elektromobilech stále zaostávají za spalovacími motory téměř ve všech výkonnostních ukazatelích. Většina elektromobilů má dojezd menší než 300 mil, dobíjení akumulátorů trvá více než hodinu, články během deseti let ztratí téměř třetinu své kapacity a kvůli hořlavým materiálům představují vážné bezpečnostní riziko.
Řešení těchto problémů je známo již desítky let: Říká se mu polovodičová baterie a je založeno na klamně jednoduché myšlence. Místo běžného kapalného elektrolytu – látky, která převádí ionty lithia mezi elektrodami – se používá pevný eloktrolyt. Také záporný pól baterie, nazývaný anoda, je vyroben z čistého kovového lithia. Tato kombinace by zvýšila energetickou hustotu baterie, umožnila by velmi rychlé nabíjení a eliminovala by riziko požáru baterie. Za posledních 40 let se však nikomu nepodařilo vyrobit polovodičovou baterii, která by tento slib splnila – až do začátku letošního roku, kdy tajnůstkářský startup QuantumScape prohlásil, že tento problém vyřešil. Nyní má data, která to dokazují.
V úterý spoluzakladatel a generální ředitel společnosti QuantumScape Jagdeep Singh poprvé veřejně odhalil výsledky testů polovodičové baterie této společnosti. Singh tvrdí, že baterie vyřešila všechny zásadní problémy, které polovodičové baterie v minulosti trápily, jako je neuvěřitelně krátká životnost a pomalá rychlost nabíjení. Podle údajů společnosti QuantumScape se její článek dokáže nabít na 80 % kapacity za 15 minut, zachovává si více než 80 % kapacity po 800 nabíjecích cyklech, je nehořlavý a má objemovou hustotu energie více než 1 000 watthodin na litr na úrovni článku, což je téměř dvojnásobek energetické hustoty špičkových komerčních lithium-iontových článků.
„Myslíme si, že jsme první, kdo vyřešil pevný stav,“ řekl Singh časopisu WIRED ještě před oznámením. „Žádný jiný solid-state systém se tomu nepřibližuje.“
Bateriový článek společnosti QuantumScape má velikost a tloušťku hrací karty. Jeho katoda, neboli kladný pól, je vyrobena z oxidu nikel-mangan-kobalt, neboli NMC, což je dnes běžná chemie v bateriích pro elektromobily. Jeho záporná elektroda neboli anoda je vyrobena z čistého kovového lithia – ale přesnější je říci, že anodu vůbec nemá, protože se vyrábí bez ní. Když se baterie během používání vybíjí, veškeré lithium proudí z anody do katody. Volné místo, které zůstane na straně anody – tenčí než lidský vlas – je dočasně stlačeno jako harmonika. Při nabíjení baterie se proces obrátí a ionty lithia opět zaplavují prostor na anodě.
„Tato konstrukce bez anody je důležitá, protože je to pravděpodobně jediný způsob, jakým lze dnes lithium-kovové baterie vyrábět se současnými výrobními zařízeními,“ říká Venkat Viswanathan, strojní inženýr pracující na lithium-kovových bateriích na Carnegie Mellon University a technický poradce společnosti QuantumScape. „Bez anody byla pro komunitu velká výzva.“
Klíčem k průlomu v oblasti pevných látek společnosti QuantumScape je však pružný keramický separátor, který se nachází mezi katodou a anodou. To je materiál, který dává „solid“ do polovodičového stavu. Stejně jako tekutý elektrolyt, který se nachází mezi elektrodami v běžném článku, je jeho hlavní funkcí převádět ionty lithia z jednoho pólu na druhý při nabíjení a vybíjení baterie. Rozdíl spočívá v tom, že pevný separátor funguje také jako bariéra, která brání lithiovým dendritům – kovovým úponkům, které se vytvářejí na kovových lithiových anodách během nabíjecích cyklů – v proniknutí mezi elektrody a způsobení zkratu.
Venkat Srinivasan, ředitel Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, strávil téměř deset let výzkumem polovodičových baterií v národní laboratoři u Chicaga. Říká, že nalezení oddělovacího materiálu, který by umožňoval volný tok iontů lithia mezi elektrodami a zároveň blokoval dendrity, bylo zdaleka největší výzvou. Obvykle výzkumníci používali buď plastický polymer, nebo tvrdou keramiku. Přestože polymery jsou v bateriích s kapalným elektrolytem oblíbeným separačním materiálem, pro pevné články jsou nevhodné, protože neblokují dendrity. A většina keramiky používané pro experimentální baterie v pevném stavu byla příliš křehká na to, aby vydržela více než několik desítek nabíjecích cyklů.
„Tyto dendrity jsou jako kořen stromu,“ říká Srinivasan, který se na práci QuantumScape nepodílel. „Problém, který se snažíme vyřešit, je, jak mechanicky zastavit růst tohoto kořenového systému něčím pevným? Nemůžete tam prostě dát cokoli, protože musíte přivádět ionty tam a zpět. Pokud to neuděláte, nebude žádná baterie.“
Lithium-iontové baterie jsou složité systémy a důvodem jejich zdlouhavého zdokonalování v průběhu let je to, že úprava jedné části článku má často kaskádové účinky, které mění jeho výkon nepředvídatelným způsobem. Aby výzkumníci vytvořili lepší baterii, musí systematicky zkoumat různé materiály, dokud nenajdou něco, co bude fungovat, což může být neuvěřitelně časově náročný úkol. Singh říká, že společnosti QuantumScape trvalo 10 let a 300 milionů dolarů na výzkum a vývoj, než vybrala polovodičový separátor, který vyhovuje požadavkům. Nechtěl prozradit, z čeho je vyroben – to je tajná omáčka společnosti – ale říká, že materiál je levný a snadno dostupný. „Neměli jsme nějaké božské zjevení, které by nám řeklo: ‚Tento materiál bude fungovat, jděte ho vyrobit,'“ říká Singh. „Museli jsme projít spoustou slepých uliček. Ale příroda nám poskytla materiál, který splňuje požadavky, a naštěstí jsme ho díky našemu systematickému procesu hledání dokázali najít.“
Singh říká, že baterie QuantumScape představuje takovou zásadní změnu výkonu, která posune elektromobily do hlavního proudu. Není jediný, kdo si to myslí. Společnost mezi své investory počítá Billa Gatese a Vinoda Khoslu a v její správní radě zasedá několik bateriových baronů, například spoluzakladatel společnosti Tesla J. B. Straubel. Jedním z největších podporovatelů společnosti je Volkswagen, největší světový výrobce automobilů, který do QuantumScape vložil více než 300 milionů dolarů a plánuje začít používat polovodičové články v některých svých elektromobilech již v roce 2025.
QuantumScape a VW samozřejmě nejsou jediné společnosti, které se zabývají polovodičovými bateriemi. Také Toyota vyvíjí polovodičový článek, který představitelé společnosti plánovali představit na letošních olympijských hrách v Tokiu, než byl kvůli pandemii odložen. Stejně jako VW i Toyota plánuje, že její polovodičové baterie budou na silnicích k dispozici do roku 2025. Začátkem letošního roku však Keiji Kaita, viceprezident divize pohonných jednotek společnosti Toyota, řekl oborovému časopisu Automotive News, že společnost musí ještě zlepšit omezenou životnost baterií. Zástupci Toyoty neodpověděli na žádost WIREDu o komentář.
Šest let starý startup s názvem Solid Power rovněž vyrobil funkční polovodičový článek a v pilotním závodě v Coloradu začal vyrábět prototypy baterií s 10 na sebe položenými vrstvami. Stejně jako QuantumScape mají tyto články lithium-kovovou anodu a keramický pevnolátkový elektrolyt. Elektrolyt společnosti Solid Power je na bázi sulfidů, což je chemie, která je pro polovodičové baterie žádoucí díky své vysoké vodivosti a kompatibilitě se stávajícími výrobními procesy. Společnost spolupracuje s řadou výrobců automobilů, včetně společností Ford, BMW a Hyundai, ačkoli její vedení neočekává, že se její články objeví na silnicích dříve než v roce 2026 kvůli zdlouhavému procesu kvalifikace pro automobilový průmysl. Společnost Solid Power zatím nezveřejnila údaje o svém článku, ale očekává se, že tento čtvrtek představí větší článek a poprvé zveřejní údaje o jeho výkonu.
„Konkurenční prostředí polovodičových baterií je stále přeplněnější vzhledem k obrovskému potenciálu, který mají polovodičové baterie při umožnění elektrifikace vozidel,“ říká Doug Campbell, generální ředitel společnosti Solid Power. „To v konečném důsledku vede k elektromobilům s větším dojezdem, větší spolehlivostí a nižšími náklady.“
Údaje o výkonnosti společnosti QuantumScape jsou působivé, ale mají důležitou výhradu. Všechny údaje z testů byly získány v jednotlivých článcích, které z technického hlediska nejsou kompletními bateriemi. Tenký článek představený společností QuantumScape je určen k tomu, aby byl poskládán dohromady s přibližně 100 dalšími články a vytvořil tak plnohodnotný článek o velikosti balíčku karet. Napájení elektromobilu bude vyžadovat stovky takto poskládaných baterií, ale společnost zatím plně poskládaný článek netestovala.
Škálování baterie z dílčí jednotky jednoho článku na plný článek a nakonec na celou sadu baterií může způsobit mnoho problémů, říká Srinivasan. Když se baterie vyrábějí v malých sériích, je podle něj snazší odstranit vady, které se objeví během výrobního procesu. Jakmile však začnete vyrábět baterie ve velkém, může být obtížné kontrolovat vady, které mohou rychle snížit výkon baterie. „I když materiál může v malém měřítku vypadat opravdu slibně, při rozšiřování se tyto vady mohou stát větším problémem,“ říká Srinivasan. „Provoz v reálném světě se velmi liší od provozu v laboratorním měřítku.“
Jeff Sakamoto, strojní inženýr zaměřený na skladování energie na Michiganské univerzitě, který se na projektu QuantumScape nepodílel, souhlasí. Podle něj stále existují značné mezery ve znalostech o základních mechanických vlastnostech lithium-metalových pevnolátkových baterií, což by mohlo způsobit problémy při komercializaci této technologie. Jako příklad důsledků uvedení technologie na trh předtím, než jsou zcela pochopeny její materiálové vlastnosti, uvádí první komerční osobní letadlo na světě, nešťastný De Havilland Comet. Krátce poté, co se Comet vznesl do vzduchu, došlo k několika katastrofickým rozpadům ve vzduchu, protože inženýři plně nepochopili proces degradace kovů použitých v jeho trupu. I když je u polovodičových článků sázka poněkud nižší než u komerčních tryskových letadel – baterie jsou koneckonců navrženy tak, aby byly ultrabezpečné – baterie, která se dostane na trh a vyskytnou se u ní neočekávané problémy s výkonem, by mohla zpomalit elektrifikaci dopravy.
„Udivuje mě, jak málo se ví o mechanickém chování kovového lithia a jak fyzika lithia ovlivňuje proveditelnost polovodičových baterií,“ říká Sakamoto. „Nevím, do jaké míry tyto mezery ve znalostech ovlivní široké rozšíření lithium-kovových pevnolátkových baterií. Ale čím více budeme vědět o základním chování, tím lepší bude přechod k širokému přijetí.“
Singh se nezalekne problémů, které musí QuantumScape vyřešit, než se jeho baterie dostanou z laboratoře do automobilu. Pokud jde o něj, společnost vyřešila těžké základní vědecké problémy, které bránily komercializaci polovodičových baterií. „Nechci zlehčovat práci, která zbývá,“ říká Singh. „Ale není to otázka, zda to bude fungovat, nebo ne. Je to otázka inženýrství.“
Na začátku tohoto roku společnost QuantumScape vstoupila na burzu prostřednictvím speciální akviziční společnosti a ke své již tak značné rozvaze přidala přibližně 700 milionů dolarů. Singh tvrdí, že společnost má nyní ve svém válečném fondu více než 1 miliardu dolarů, což je více než dost na to, aby mohla zahájit výrobu. Zdá se nemožné, že by společnost mohla zkrachovat, ale to si investoři mysleli i o společnostech A123 Systems a Envia Systems, dvou společnostech, které získaly obrovské množství peněz od starších výrobců automobilů s příslibem baterie pro elektromobily, která změní pravidla hry – jen aby zkrachovaly, když výkon jejich článků neodpovídal očekávání. QuantumScape se dost možná stane prvním startupem, který dodá komerční polovodičovou baterii, ale společnost má před sebou ještě dlouhou cestu.
Další velké příběhy WIRED
- 📩 Chcete nejnovější informace o technice, vědě a dalších tématech? Přihlaste se k odběru našich novinek!
- Pátrání jednoho muže po údajích o DNA, které by mu mohly zachránit život
- Závod o rozlousknutí recyklace baterií – než bude pozdě
- AI teď může řídit vaše pracovní schůzky
- Zachraňte si o svátcích kočku naším oblíbeným vybavením
- Lexikon hackerů:
- 🎮 WIRED Games: Jaký je šifrovací protokol Signal?
- 🏃🏽♀️ Chcete ty nejlepší nástroje, abyste byli zdraví? Podívejte se na tipy našeho týmu Gear na nejlepší fitness trackery, běžecké vybavení (včetně bot a ponožek) a nejlepší sluchátka
.