Nejprve malá odbočka: Co je to Iont?

Abychom pochopili baterii, musíme si nejdřív ujasnit jeden pojem, na který se často zapomíná. Všichni víme, jak vypadá atom. Uprostřed je těžké jádro (protony s plusovým nábojem) a kolem něj létají lehké elektrony (s mínusovým nábojem).

V normálním stavu je počet plusů a mínusů stejný. Atom je v rovnováze, je spokojený a elektricky neutrální. Co se ale stane, když atomu jeden elektron "násilím" sebereme? Rovnováha se zhroutí. Atomu najednou přebývá kladný náboj z jádra. A přesně tomuto atomu, kterému chybí elektron do páru, říkáme IONT (konkrétně kationt).

(Vizuálně dramatické ztvárnění atomu, ze kterého je násilně odtržen elektron, což narušuje rovnováhu a vytváří kationt.)

V bateriích hraje hlavní roli prvek Lithium (Li), protože se svého elektronu zbavuje velmi ochotně. Celý princip baterie je pak založen na jednoduchém triku: my atom lithia rozdělíme na dvě části – na elektron (který nese energii a běhá dráty) a na iont (zbytek atomu, který plave uvnitř baterie).

Jak to funguje: Chemický tanec uvnitř článku

Baterie (správněji akumulátor) je ve své podstatě chemický reaktor, který stojí na třech pilířích:

• Anoda (Záporná elektroda): Místo, kde je energie uložena v nabitém stavu. Obvykle jde o grafitovou mřížku plnou lithia.
• Katoda (Kladná elektroda): Cílová stanice. Obvykle oxidy kovů (kobalt, nikl, mangan, železo).
• Elektrolyt: Kapalina mezi nimi, která funguje jako velmi přísný hlídač – pustí skrz pouze ionty, ale nikdy elektrony.

(Infografika - jak funguje Li-Ion baterie)

Co se děje, když zapnete mobil?
Na anodě dojde k chemické reakci. Atomy lithia se rozdělí. Lithiový Iont (Li+), protože je to hmotná částice, skočí do elektrolytu a proplave vnitřkem baterie na druhou stranu ke katodě. Ale Elektron (e-) má smůlu. Skrz elektrolyt nesmí. Je "vyhozen" ven z baterie do měděných drátů.

A to je ten trik. Osamělý elektron se zoufale snaží dostat za svým iontem na druhou stranu, aby byli zase spolu. Ale jedinou cestu má přes váš procesor a displej. Tím, jak tímto obvodem proběhne, vykoná práci (rozsvítí displej) a na konci cesty se na katodě šťastně setká se svým iontem. Baterie se vybila, rovnováha byla obnovena.

Záhada posledních 20 % a proč baterie stárne

Možná jste si toho všimli u svého mobilu nebo elektromobilu. Z nuly na 80 % to jde bleskově – říkáme tomu rychlonabíjení. Ale jakmile se blížíte ke stovce, proces se dramaticky zpomalí a těch posledních pár procent trvá celou věčnost. Proč to tak je? A proč baterie po dvou letech už nevydrží to, co na začátku?

Představte si baterii jako kinosál

Abychom pochopili chování baterie při nabíjení, vraťme se k našim iontům lithia. Představte si anodu (kam se lithium ukládá při nabíjení) jako obrovský kinosál a lithiové ionty jako diváky, kteří si hledají místo k sezení.

• Fáze 0–80 % (Prázdný sál): Když je baterie vybitá, kinosál je prázdný. Diváci (ionty) mohou vběhnout dovnitř a okamžitě si sednout na první volné místo. Nikdo nikomu nepřekáží. Nabíječka může do baterie "hrnout" proud pod plným tlakem. To je fáze rychlonabíjení.
• Fáze 80–100 % (Plný sál): Sál je skoro plný. Nově příchozí diváci už nemohou jen tak vběhnout. Musí se prodírat uličkami, zvedat sedící lidi a složitě hledat poslední volná místa uprostřed řad. Vzniká třenice a horko. Kdybychom v této fázi do baterie pouštěli proud naplno, ionty by se "ušlapaly" a baterie by se přehřála a zničila. Proto chytrá elektronika nabíjení zpomalí a pouští diváky dovnitř jen po jednom.

(Téměř plný kinosál, kde zbývající světélkující ionty s obtížemi hledají poslední volná místa v tlačenici a horku.)

Proč baterie nevydrží věčně? (Degradace)

Tohle je otázka za milion. Proč má můj mobil po třech letech poloviční výdrž? Bohužel, chemie je neúprosná. Vraťme se k naší analogii.

Při každém nabíjení a vybíjení se ionty lithia fyzicky přesouvají do struktury materiálu a zase ven. Je to jako stěhování nábytku. Když budete pohovku každý den stěhovat z obýváku do ložnice a zpět:

1. Opotřebení materiálu: Občas odřete futra, občas se ulomí noha od židle. V baterii dochází k mikro-trhlinám v elektrodách. Struktura, která drží lithium, se pomalu rozpadá a už nepojme tolik "diváků".
2. Ucpané uličky (Vznik usazenin): Část lithia časem "zleniví". Místo aby cestovalo tam a zpět, vytvoří trvalé usazeniny (tzv. dendrity nebo pasivní vrstvu), které zablokují cesty. Představte si to, jako by se část diváků v kinosále rozhodla, že už nikdy neodejdou, a navíc si lehli do uličky. Nejenže zabírají místo (ztráta kapacity), ale ještě překáží ostatním (zvýšení vnitřního odporu).

Baterie neumírá proto, že by z ní "vytekla energie", ale proto, že její vnitřní struktura je po tisících cyklech stěhování iontů prostě "opotřebovaná" a zanesená.

Superkondenzátory: Fyzika místo chemie?

Baterie mají jeden zásadní limit – chemická reakce (to rozdělování atomů a plavání iontů) trvá nějaký čas. Nemůžete ji nabít za vteřinu a nemůžete z ní dostat veškerou energii naráz. Co kdybychom ale chemii úplně obešli?

Tady přichází na scénu superkondenzátor. Zatímco baterie energii vyrábí chemicky, kondenzátor ji uchovává čistě fyzikálně – jako statickou elektřinu na povrchu materiálu.

Představte si to jako kbelík vody vs. nasáklou houbu.

• Baterie (Houba): Pojme hodně vody, ale trvá dlouho, než ji nasákne, a dlouho, než ji vyždímáte.
• Kondenzátor (Kbelík): Můžete ho naplnit (nabít) i vylít (vybít) prakticky okamžitě.

Superkondenzátory se dokážou nabít za pár sekund a vydrží miliony cyklů. Problém je hustota energie. Kbelík (kondenzátor) zabere stejně místa jako houba (baterie), ale vejde se do něj mnohem méně energie. Abychom nahradili baterii v mobilu kondenzátorem, musel by být velký jako plechovka od coly.

Budoucnost je proto pravděpodobně hybridní – kondenzátor obstará bleskové zrychlení auta, zatímco baterie zajistí dlouhý dojezd. Ať už je to ale iont, nebo statická elektřina, princip zůstává stejný: naše snaha ochočit si neviditelnou sílu elektronů.