Revoluční lithium-vzduch baterie: budoucnost nebo jen sny?

Lithium-vzduch baterie jsou jednou z možností, jak zásadně zvýšit dojezd elektrických aut nebo výdrž elektrických přístrojů. Na lithium-vzduch bateriích pracuje řada výzkumných týmů po celém světě. Jen za tři roky bylo zveřejněno 300 vědeckých prací. Jaký je tedy současný stav vývoje lithium-vzduch baterií?

A jak lithium-vzduchové (chceme-li lithium-kyslík) baterie fungují? Zjednodušeně řečeno, vydávají energii oxidací lithiových desek, tedy vstřebáváním kyslíku. Při nabíjení je chemická reakce opačná.

Avšak v praxi se jedná o velmi komplikovanou chemii a fyziku. Komerčně použitelné lithium-vzduch baterie jsou ještě deset nebo možná dvacet let daleko. Kde je tedy problém?

„Vývoj praktických li-vzduch baterií musí překonat nelehké úkoly – pochopení základních elektrochemických procesů lithium-kyslík, vývoj nových materiálů elektrického článku a inovace v klíčových aspektech designu elektrického článku,“ říká Jun Lu, vedoucí týmu výzkumníků na Pekingském institut technologie a Univerzitě Hanyang.

Lithium-vzduchové baterie se s teoretickou hustotou energie až 12 000 Wh/kg blíží benzínu, který má 13 000 Wh/kg. Avšak jedná se o teoretickou hodnotu lithium-vzduch baterie, v praxi nedosažitelnou.

Nejlepší současné (cenově dostupné) li-ion baterie mají hustotu energie někde kolem 200 – 250 Wh/kg. Cílem výzkumníků je vyrobit lithium-vzduch baterie s hustotou energie alespoň 1000 Wh/kg.

„Použitelná hustota energie benzínu v automobilovém průmyslu je přibližně 1 700 Wh/kg, za předpokladu, že průměrná převodní účinnost palivo/pohyb je 12,6 % u amerických aut,“ cituje magazín Charged EV časopis Chemical Reviews.

„Naštěstí, podobnou energii získáme, pokud dokážeme dosáhnout alespoň 14,5 % teoretické hustoty energie plně nabité lithium-vzduch baterie. Takže není vyloučeno, že taková hustota energie může být dosažená na úrovni elektrického článku.“

V současné době výzkumníci zaměřují svou pozornost na čtyři druhy lithium-vzduch baterií, charakterizované typem elektrolytu – aprotycká, vodná, pevná a hybridní aprotická/vodná.

Typická aprotická lithium-vzduch baterie se skládá z lithiové elektrody, elektrolytu ze směsi soli litihia rozpuštěné v aprotickém rozpouštědle a druhou elektrodu, která „dýchá“ kyslík za vzduchu. Největším problémem je stabilita elektrolytu, jak v čase, tak zejména při rychlém nabíjení baterie.

„Bez nejmenších pochyb, hledání stabilního elektrolytu, v elektrochemickém prostředí bohatém na kyslík, je v současné době největší prioritou,“ říká Lu. „Návrh robustní strategie pro zkoumání stability různých elektrolytů by bylo velmi prospěšné pro vývoj praktických lithium-vzduch aplikací.“

Dalším nadějným typem je lithium-vzduch baterie založená na vodném elektrolytu. „Úspěšný rozvoj jakýchkoli vodných lithium-vzduch baterií závisí na zamezení přímého kontaktu lithiové elektrody s vodou. Nejvíce inovativní přístup k řešení tohoto problému je zavedení li-ion vodivé skleněné keramiky (LiC-GC). Nicméně, tato keramika je obecně nestabilní a vysoce odporová při nízké teplotě. Kromě toho není příliš stabilní v silně kyselých nebo zásaditých médiích. Budoucí výzkum a vývoj velkých a flexibilnějších LiC-GC membrán velmi pomůže vývoji lithium vzduchové baterií s vodným elektrolytem,“ uzavírá Lu.