Zázrak jménem grafen

Grafenové baterie jsou v konceptu stejně zázračné jako grafenové… inu, cokoliv. Dnešní akumulátory jsou sice vrcholem našich technologických schopností, i tak ale v sobě nesou řadu vážných problémů. Jedním z hlavních je teplo vznikající při intenzivních tocích elektronů. Vysoké teploty způsobují degradaci baterie, úbytek aktivních materiálů v elektrodách a elektrolytu, při překročení bodu tání separátoru v akumulátoru pak hrozí i obávaná „teplotní exploze“ (znáte ji z dramatických záběrů, kdy hasiči potápí elektromobil do kádě s vodou).

Nutnost eliminace tepelných toků dnes způsobuje, že až 20 % váhy baterie v automobilu připadá na chladicí systém – u 100kWh článku to činí až 80 kg. Podle laboratorních testů by tuto zátěž mohla nahradit vrstva grafenu či jeho oxidů nanesená na elektrodu baterie. Ta by díky tomu získala daleko vyšší pevnost, odolnost proti změnám teplot i vyšší vodivost. Baterie by tím pádem byla lehčí, měla by vyšší kapacitu i účinnost a bylo by možné ji daleko rychleji nabíjet.

Využití grafenu navíc umožňuje experimentovat i s alternativními materiály elektrod. Firma GMG, která spolupracuje na vývoji grafenových baterií s technologickým gigantem Bosch, už dlouho hlásí vynikající výsledky s akumulátorem s elektrodami vyrobenými z grafenu a hliníku. Podle zpráv se prototypy nabíjí až 60× rychleji než lithiové baterie, nemají omezení maximálního vybíjecího proudu, a především u jejich výroby odpadají problémy spojené s těžbou a úpravou lithia. Ředitel GMG Craig Nicol slibuje, že nové akumulátory, které budou velikostí a konektory kompatibilní se současnými elektromobily, přijdou na trh v roce 2024. Pokud vývoj kolem grafenových baterií sledujete, neubráníte se však pomyšlení, že už jste něco takového zaslechli mockrát.

Slibů brzkého nástupu grafenových baterií už skutečně proběhlo médii hodně. Naposled to byla čínská automobilka GAC Aion, která na začátku letošního roku oznámila, že má k dispozici akumulátor s grafenovými prvky, který se nabije z 30 na 80 % za 5 minut, má dojezd 1000 km a celkově vydrží automobil pohánět milion kilometrů. Superodolnost baterie firmu navíc inspirovala k vývoji nové dobíjecí stanice operující s napětím 1000 V, proudem 600 A a maximálním nabíjecím výkonem 600 kW!

Na trhu se měl tento přelomový vynález objevit letos na podzim a už při jeho oznámení mnozí odborníci pochybovali, že se tak stane. Důvodem jejich skepticismu (zatím oprávněného) je vlastnost, pro kterou má angličtina krásné slovo „scaleability“. Technologii, která je „scaleable“, vyvíjíme a testujeme v malém měřítku v laboratorních podmínkách a zároveň ji dokážeme vyrábět masově ve velkých sériích. Grafenové baterie zatím, zdá se, „scaleable“ nejsou. Jinými slovy – baterie, které fungují v laboratořích, nedokážeme vyrábět v milionových sériích tak, aby každá z nich byla naprosto stejná, spolehlivá a bezpečná. Dokud se to nepodaří, automobilkám se do rizika miliardových investic potřebných ke spuštění sériové výroby nebude chtít.

Problémy s přechodem z laboratoří do továren nemají jen celé baterie, týkají se i grafenu samotného. V malém měřítku ho dokážeme vyrobit snadno – Geim a Novoselov si před 17 lety vystačili s izolepou a rozpouštědlem. O jeho velkovýrobu se od té doby pokouší stovky vědeckých týmů a startupů a neustále řeší problémy s udržením konzistentní kvality ve velkých objemech, což je pro potřeby automobilového průmyslu zásadní.

Dobrá zpráva je, že technologie výroby grafenu zaznamenává rychlé pokroky a cena za gram klesla z původních desetitisíců dolarů na současných asi sto. S tím se ale pojí, trochu paradoxně, další překážka ve vývoji grafenových baterií. Levný a kvalitní grafen umožňuje vytvářet stále nové nanomateriály, které vykazují stále lepší výsledky. Neuběhne snad týden, aby některý z mnoha vývojářských týmů neoznámil nový koncept slibující radikální zlepšení vlastností výsledné baterie.

Christos Athanasiou, který vede výzkum grafenových materiálů na Brownově univerzitě v USA, si v rozhovoru pro portál Futurism trochu v žertu povzdechl, že vždy, když s kolegy přijdou na nějaké převratné řešení, další pokusy ho vzápětí vylepší. Jeho tým například vyvinul slibný koncept aplikace grafenové membrány na křemíkovou elektrodu, krátce poté oznámili radikální zlepšení vlastností při pokusech s membránou z oxidu grafenu, aby pak zjistili, že daleko lepších výsledků dosáhnou, když z oxidu grafenu zredukují struktury vážící kyslík. Podobných týmů na světě působí stovky. Každý jejich objev sice slibuje perspektivu lepších a lepších baterií, ale zároveň odsouvá potenciální zahájení sériové výroby dál do budoucna.

Futurolog Roy Amara definoval v 70. letech zákon, který tvrdí, že každá převratná technologie se vyvíjí ve čtyřech fázích. V první vzbudí očekávání, že okamžitě změní svět. V druhé bublina očekávání splaskne a nastane deziluze. Ve třetí fázi se pomocí technologického pokroku vyšplháme do finálního stádia, kde se technologie stane běžnou součástí každodenního života. Grafen je dnes podle všeho ve fázi číslo tři. Kdy se přehoupne do čtvrté, není úplně jasné. Klesající cena a pokroky v technologii průmyslové výroby dávají naději, že doba grafenových baterií skutečně přichází.

Navzdory slibům ale prozatím nejenže stále nejezdíme auty s grafenovými akumulátory, ale nemáme grafenovou baterii ani v mobilech. Stále tedy platí slova Christose Athanasia: „Z vědeckého hlediska již máme celkem jasno. Technologicky tam ale ještě nejsme.“