Foto: Shutterstock

Úvod do problematiky pevných baterií

Autor původního článku: redakce

Baterie hrají klíčovou roli v každodenním životě, od napájení chytrých telefonů až po umožnění provozu elektrických vozidel. Přestože jsou tak důležité, dnešní baterie stále přinášejí významné nevýhody, včetně vysokých nákladů a rizika požárů nebo výbuchů. Pevné baterie jsou dlouho považovány za bezpečnější alternativu, ale pokrok byl zpomalen výzvou vyvážit bezpečnost, výkon a cenovou dostupnost.

Průlom v designu baterií

Nyní výzkumný tým v Jižní Koreji ukázal, že výkon baterií lze významně zlepšit pouze chytrým strukturálním designem, aniž by bylo nutné spoléhat se na drahé kovy. Dne 7. ledna KAIST oznámil průlom, který vedl výzkumný tým pod vedením profesora Dong-Hwa Seo z katedry materiálových věd a inženýrství. Projekt spojil výzkumníky vedené profesorem Sung-Kyun Jung (Seoul National University), profesorem Youn-Suk Jung (Yonsei University) a profesorem Kyung-Wan Nam (Dongguk University). Společně vyvinuli nový přístup k designu klíčových materiálů pro pevné baterie, který využívá levné suroviny při zachování silného výkonu a nižšího rizika požáru nebo výbuchu.

Bezpečnost pevných elektrolytů

Tradiční lithium-iontové baterie závisejí na kapalném elektrolytu, který umožňuje pohyb lithných iontů mezi elektrodami. Pevné baterie nahrazují tuto kapalinu pevným elektrolytem, což výrazně zlepšuje bezpečnost. Avšak lithné ionty se pohybují pomaleji skrze pevné látky a minulé snahy o jejich zrychlení často závisely na drahých kovech nebo složitých výrobních technikách.

Využití krystalové chemie

K řešení tohoto problému se výzkumníci zaměřili na zlepšení pohybu lithných iontů skrze pevné elektrolyty. Jejich strategie se soustředila na použití „dvojmocných aniontů“ jako kyslíku a síry. Tyto prvky ovlivňují krystalovou strukturu elektrolytu tím, že se stávají součástí jeho základního rámce, což může změnit, jak se ionty pohybují uvnitř materiálu. Tým aplikoval tuto myšlenku na levné halidové pevné elektrolyty na bázi zirkonia (Zr). Pečlivým zaváděním dvojmocných aniontů byli schopni přesně upravit vnitřní strukturu materiálu.

Potvrzení strukturálních zlepšení

Aby potvrdili, že tyto strukturální změny fungovaly podle očekávání, výzkumníci se spoléhali na řadu pokročilých analytických metod, včetně: vysoké energie synchrotronového rentgenového difrakce (Synchrotron XRD), analýzy párové distribuční funkce (PDF), rentgenové absorpční spektroskopie (XAS) a modelování hustotní funkcionální teorie (DFT) pro elektronickou strukturu a difúzi. Tyto techniky umožnily týmu důkladně zkoumat, jak se krystalová struktura změnila a jak tyto změny ovlivnily pohyb lithných iontů.

Výkonnostní zisky s levnými materiály

Testy ukázaly, že přidání kyslíku nebo síry do elektrolytu zvýšilo mobilitu lithných iontů dvakrát až čtyřikrát ve srovnání s konvenčními elektrolyty na bázi zirkonia. Toto zlepšení naznačuje, že pevné baterie mohou dosáhnout úrovně výkonu vhodné pro reálné použití, aniž by se spoléhaly na drahé materiály. Při pokojové teplotě dosáhl kyslíkem dopovaný elektrolyt iontové vodivosti přibližně 1,78 mS/cm, zatímco sírou dopovaný dosáhl přibližně 1,01 mS/cm. Iontová vodivost měří, jak snadno se lithné ionty pohybují skrze materiál, a hodnoty nad 1 mS/cm jsou obecně považovány za dostatečné pro praktické aplikace baterií při pokojové teplotě.

Posun v inovacích baterií

Profesor Dong-Hwa Seo vysvětlil širší význam práce, když řekl: „Prostřednictvím tohoto výzkumu jsme představili princip designu, který může současně zlepšit náklady a výkon pevných baterií pomocí levných surovin. Jeho potenciál pro průmyslové využití je velmi vysoký.“ Vedoucí autor Jae-Seung Kim zdůraznil, že studie poukazuje na posun ve výzkumu baterií, který přesouvá pozornost od pouhého výběru nových materiálů k navrhování lepších struktur.

Publikace a podpora výzkumu

Studie, vedená spoluautory Jae-Seung Kim (KAIST) a Da-Seul Han (Dongguk University), byla publikována v mezinárodním časopise Nature Communications dne 27. listopadu 2025. Financování výzkumu poskytlo Samsung Electronics Future Technology Promotion Center, National Research Foundation of Korea a National Supercomputing Center.