Budoucnost baterií možná nebude patřit lithiu. Ve hře je obyčejné železo, voda i tisíce nabíjecích cyklů

Obrovské bateriové kontejnery dnes stabilizují elektrické sítě, ukládají energii ze solárních elektráren a pomáhají vyrovnávat výkyvy výroby z větrných parků. Bez nich by moderní obnovitelné zdroje fungovaly výrazně méně efektivně, a není tedy divu, že jsme svědky celosvětového závodu ve zdokonalování uvedených zařízení. 

Klíčový není jen výkon, ale také cena, bezpečnost i životnost. Ve všech těchto ohledech by pak měly vynikat nové typy železných a sodíkových článků, které slibují tisíce nabíjecích cyklů a fungování na základě vodních či méně hořlavých elektrolytů. Cesta k podobným technologiím přitom nezačala v Tesle ani v moderních čínských laboratořích, ale už kdysi dávno na jihozápadě Asie.

Nevysvětlitelná záhada

Když archeologové ve 30. letech minulého století zkoumali naleziště poblíž Bagdádu, narazili na keramickou nádobu vysokou asi patnáct centimetrů, která na první pohled nevypadala nijak zajímavě. Uvnitř se však nacházel měděný válec a železná tyč, a právě tato kombinace rozpoutala dlouholetou debatu, zda lidé už ve starověku experimentovali s elektřinou.

Pokud se totiž zmíněná nádoba naplní kyselým roztokem, například octem nebo fermentovanou šťávou, může fungovat podobně jako jednoduchý galvanický článek: Mezi železem a mědí začne vznikat malé elektrické napětí. Artefaktu se přezdívá „bagdádská baterie“, ovšem k čemu se zařízení využívalo, nedokáže dnes nikdo s jistotou říct.

Někteří vědci se domnívají, že sloužilo ke galvanickému pokovování šperků, podle jiných se spíš jednalo o náboženský či rituální předmět. Další skupina odborníků pak tvrdí, že s elektřinou neměla bagdádská baterie nic společného. Nedokážeme přitom určit, kdo má pravdu. Archeologie totiž občas připomíná detektivku, ve které chybí klíčová část důkazů… 

Kouzlo, nebo věda?

Za skutečného otce moderní baterie považujeme Alessandra Voltu. Když se vědci po celé Evropě snažili na přelomu 18. a 19. století pochopit podivné elektrické jevy, jež do té doby působily téměř jako magie, přišel italský fyzik s něčím revolučním: V roce 1800 představil první praktický a kontinuální zdroj elektrického proudu.

Jeho zařízení, známé jako Voltův sloup, bylo překvapivě jednoduché – střídaly se v něm kotoučky mědi a zinku, mezi nimiž byly vrstvy látky namočené ve slané vodě nebo v kyselém roztoku. Po uzavření obvodu pak začal mezi elektrodami proudit elektrický proud.

Princip fungování se dá vysvětlit poměrně jednoduše: Různé kovy mají rozdílný elektrochemický potenciál, zjednodušeně řečeno různou „ochotu“ uvolňovat elektrony. Když jsou správně propojené přes elektrolyt, začnou se elektrony přesouvat z jednoho kovu na druhý. A právě tento pohyb vytváří elektrický proud. Dnes to zní téměř banálně, jenže na začátku 19. století šlo o technologickou revoluci.

Poprvé v historii měli vědci k dispozici stabilní zdroj elektřiny, který fungoval kdykoliv. Už nebylo nutné se spoléhat pouze na statickou elektřinu nebo na komplikované mechanické experimenty.

Symbol silné Evropy

Voltův vynález odstartoval prudký rozvoj fyziky i chemie. Díky bateriím mohli badatelé experimentovat s elektrolýzou, objevovat nové chemické prvky nebo podrobněji zkoumat chování elektrického proudu. Není náhodou, že jednotka elektrického napětí dnes nese právě Voltovo jméno. Jeho práce navíc udělala takový dojem, že ho ocenil i Napoleon Bonaparte, který v tehdejší vědě spatřoval symbol silné moderní Evropy. 

První baterie vznikly pro vědecké experimenty, ale poměrně rychle našly využití například v telegrafii. Většinou byly jednorázové, a jakmile se chemické látky uvnitř článku spotřebovaly, zdroj už elektrický proud nevyráběl. Pak ale přišel další velký průlom: V roce 1859 představil francouzský fyzik Gaston Planté první praktický dobíjecí akumulátor. Místo jednorázové chemické reakce dokázala jeho baterie fungovat opakovaně – stačilo ji znovu nabít elektrickým proudem (viz také Nadčasová technologie).

Menší, lehčí, výkonnější

Ve 20. století nastala doslova exploze nových typů baterií. S nástupem přenosné elektroniky rostla poptávka po menších, lehčích a výkonnějších článcích, a výrobci tak experimentovali téměř se vším, co chemie nabízela. Nejprve se používaly zinkouhlíkové baterie a poháněly první přenosná rádia, svítilny či dětské hračky. Měly nízkou kapacitu, ale jejich výroba byla jednoduchá a levná. Později je začaly vytlačovat alkalické baterie, jež nabízely delší výdrž a postupně se proměnily ve standard pro běžnou elektroniku.

Další velký skok přišel s nikl-kadmiovými akumulátory, známými pod zkratkou NiCd. Ty už se daly opakovaně nabíjet a díky nim se mohla rozvíjet první skutečně přenosná elektronika, od videokamer až po notebooky. V 90. letech potom nastoupily modernější nikl-metalhydridové akumulátory neboli NiMH, jež nabízely větší kapacitu a představovaly menší ekologickou zátěž. Uplatnění našly například v digitálních fotoaparátech či v prvních hybridních automobilech, jako byla Toyota Prius.

Elektřina sbalená na cesty

Kdyby měl mít moderní technologický svět jen jednu superhvězdu, bylo by to lithium. Během několika desetiletí tento nenápadný, stříbřitě lesklý kov výrazně proměnil podobu elektroniky i energetiky. Důvod je prostý: Umožňuje totiž vyrábět baterie s velmi vysokou energetickou hustotou, což energetický průmysl zoufale potřeboval. Výrobci chtěli menší zařízení, delší výdrž a méně kilogramů navíc. A lithium-iontové baterie měly všechny uvedené vlastnosti najednou.

Na jejich vývoji pracovali odborníci desítky roků. A jeden z nejvýznamnějších, John B. Goodenough, získal za svůj přínos na daném poli spolu s dalšími kolegy Nobelovu cenu za chemii. 

Komerční lithium-iontové baterie uvedla na trh firma Sony v roce 1991 a pomohla tím odstartovat revoluci v přenosné elektronice. Najednou totiž bylo možné vyrábět lehká zařízení s dlouhou výdrží, která nabízela stovky nabíjecích cyklů. Jenže s obrovským úspěchem přišly také problémy. Lithium-iontové baterie jsou citlivé na poškození, přehřátí i výrobní vady. Další problém pak spočívá v získávání surovin: Přestože lithium nepatří mezi extrémně vzácné prvky, jeho těžba a zpracování jsou technologicky i ekonomicky náročné. A právě tady vstoupila do hry Čína. 

Úplně obyčejné řešení

Čínské firmy jako CATL či BYD dnes kontrolují významnou část globálního dodavatelského řetězce, od zpracování surovin přes produkci článků až po jejich recyklaci. Baterie se tak postupně staly strategickou technologií, která hraje podobně důležitou roli jako ropa ve 20. století. Jenže právě rostoucí závislost na lithiu nutí vědce hledat alternativy – a jednu z nejzajímavějších překvapivě nabízí obyčejné železo: Výzkumné týmy v Číně i jinde pracují na nových typech železných baterií, jež by mohly být levnější než lithium-iontové články, bezpečnější a velmi odolné. Některé využívají vodní elektrolyt, který výrazně snižuje riziko požáru. A protože se železo řadí mezi nejrozšířenější prvky na Zemi, odpadá část potíží spojených s drahými či geopoliticky citlivými surovinami. 

Nejde však o klasické pevné články, nýbrž o tzv. průtokové baterie. Zatímco běžná baterie funguje jako uzavřený zásobník energie, ta průtoková představuje spíš něco mezi baterií a chemickou elektrárnou s nádržemi kapaliny. Energie se totiž neukládá přímo v pevných elektrodách, ale v kapalném elektrolytu v zásobnících. A kapalina pak proudí systémem podobně jako krev v oběhové soustavě.

Výhoda je přitom zásadní: Chcete-li větší kapacitu, stačí zvětšit nádrže s elektrolytem. Železo je levné, snadno dostupné a relativně bezpečné. Vývojové týmy současně uvádějí, že některé prototypové články zvládly v testech víc než šest tisíc nabíjecích cyklů, a to s poměrně nízkou degradací výkonu.

Budoucnost patří železu?

Problém spočívá v tom, že průtokové baterie mají relativně nízkou energetickou hustotu. Jinými slovy, na stejné množství uložené energie potřebují víc prostoru než lithium-iontové články, a do mobilních telefonů či elektromobilů se proto příliš nehodí. V případě elektrických sítí ovšem panuje jiná situace – pro ně totiž často není nejdůležitější velikost, nýbrž cena, bezpečnost, životnost a schopnost dlouhodobě ukládat energii. Zdá se tedy, že by mohly železné baterie sehrát důležitou úlohu například při uchovávání energie ze solárních nebo větrných elektráren.

Budoucnost tak nakonec možná nebude patřit jednomu univerzálnímu řešení, ale vznikne celý ekosystém různých technologií: lithium pro auta a elektroniku, železo pro energetické sítě, sodík pro levné ukládání energie a další chemické kombinace pro specializované využití. Stejně jako neexistuje jedno ideální vozidlo pro všechny situace, nebude zkrátka existovat ani jedna dokonalá baterie pro celý svět.