Počátky elektrických experimentů (18. století)

Cesta začala v roce 1745 vynálezem takzvané leydenské lahve - skleněné nádoby potažené kovovou fólií, schopné uchovávat statickou elektřinu. Tento výtvor Ewalda Georga von Kleista se  dnes může zdát jednoduchý, ale v jeho době byl průlomovým krokem v oblasti využití elektrické energie. Představte si to vzrušení a údiv tehdejší vědců, kteří prováděli experimenty, při kterých vznikaly jiskry a elektrické šoky. Musely působit téměř magicky.

V roce 1780 se setkáváme s jednou z nejkurióznějších kapitol v historii baterií. Luigi Galvani, italský lékař, zaznamenal při pitvě žáby něco mimořádného. Žabí noha se zachvěla, když se jí dotkl kovovým skalpelem! Tento náhodný objev vedl Galvaniho k představě "živočišné elektřiny", což naznačovalo, že živé tkáně obsahují jakousi vrozenou životní sílu. I když jeho interpretace nebyla zcela správná, tento experiment položil základy pro budoucí objevy.

Zrození moderní baterie (19. století)

Skutečná revoluce přišla v roce 1800, kdy Alessandro Volta, inspirovaný Galvaniho prací, ale nesouhlasící s jeho závěry, vynalezl tzv.voltův sloup - skládající se střídavě ze zinkových a měděných disků oddělených látkou namočenou ve slané vodě. Tato nenápadná věž z kovů a solného roztoku představovala první skutečnou elektrickou baterií na světě, schopnou generovat stabilní elektrický proud. Voltův vynález odstartoval novou éru vědeckého výzkumu a technologického rozvoje.

V průběhu 19. století vědci a vynálezci ve zdokonalování bateriové technologie pokračovali. V roce 1836 John Daniell představil Daniellův článek, vylepšenou konstrukci baterie, která poskytovala spolehlivější a stabilnější proud. Tento pokrok byl zásadní pro rozvíjející se obor telegrafie - umožnil napájení komunikačních sítí, jenž zmenšily svět způsobem, který byl dříve nepředstavitelný.

Zásadní pokrok přišel v roce 1859, kdy Gaston Planté vynalezl olověný akumulátor - první dobíjecí baterii. Plantého vynález položil základy pro nesčetné průmyslové využití a nakonec se stal nedílnou součástí každého automobilu na silnici.

Tempo inovací se zrychlovalo. V roce 1881 Camille Alphonse Faure vylepšil Plantého design a umožnil tak masovou výrobu olověných akumulátorů. V době, kdy svět stál na prahu automobilové revoluce, se tento vývoj ukázal jako zásadní.

Věk diverzifikace (konec 19. - začátek 20. století)

Na konci 19. století se začaly objevovat nové typy baterií. V roce 1899 Waldemar Jungner vynalezl nikl-kadmiový (NiCd) akumulátor, který se později stal důležitým pro provozy vyžadující vysoké vybíjecí proudy. O pouhé dva roky později si slavný vynálezce Thomas Edison nechal patentovat svůj nikl-železný akumulátor, který propagoval jako odolnější alternativu k olověným akumulátorům pro průmyslové využití.

Tyto vynálezy ukázaly, jak lze různé chemické složení baterií přizpůsobit specifickým potřebám. Tedy trend, který pokračuje dodnes. Každý nový typ baterie přinesl své výhody a otevřel nové možnosti pro využití a ukládání elektrické energie.

Cesta k moderním bateriím (polovina 20. století)

V polovině 20. století pokračovalo zdokonalování stávajících technologií. V roce 1932 vynález sintrovaných desek pro NiCd baterie od Schlechta a Ackermanna významně zvýšil jejich výkon. V roce 1947 pak Georg Neumann vyvinul první uzavřený nikl-kadmiový akumulátor, což otevřelo cestu k bezúdržbovým průmyslovým bateriím.

Sedmdesátá léta přinesla vývoj ventilem řízených olověných akumulátorů (VRLA), které nabídly bezúdržbovou alternativu. Baterie se stály bezpečnějšími a všestrannějšími, a to rozšířilo jejich potenciální využití.

Lithiová revoluce (konec 20. století - současnost)

Nejnovější kapitola v historii baterií začala v 80. letech minulého století vývojem technologie lithium-iontových baterií. Tyto baterie nabídly vyšší energetickou hustotu a lepší výkon než jejich předchůdci. V roce 1991 společnost Sony uvedla na trh první lithium-iontovou baterii, čímž zahájila éru přenosné elektroniky, kterou dnes považujeme za samozřejmost.

Ale příběh tím nekončí. V roce 1996 John B. Goodenough a jeho tým na Texaské univerzitě identifikovali lithium-železo-fosfát (LiFePO4) jako slibný katodový materiál pro lithium-iontové baterie. Tento objev otevřel cestu k nové generaci baterií s vylepšenou bezpečností a životností.

Na počátku roku 2000 bylo vyvinuto intenzivní úsilí k překonání počátečních omezení LiFePO4, jako je jeho nízká elektrická vodivost. Výzkumníci testovali různé přístupy, včetně snižování velikosti jednotlivých dílů LiFePO4 a jejich povlakování vodivými materiály. V roce 2005 společnost A123 Systems úspěšně komercializovala lithium-železo-fosfátové baterie, čímž začalo jejich široké využití.

Rodina lithium-iontových baterií: Diverzita a výzvy

Přestože baterie LiFePO4 našly široké uplatnění, tvoří jen jednu část rozmanité lithium-iontové rodiny. Pojďme prozkoumat některé další důležité lithiové technologie:

Lithium-kobalt oxid (LiCoO2)

Šlo o jedno z prvních komerčně dostupných složení lithium-iontových baterií. Díky vysoké energetické hustotě našlo využití ve spotřební elektronice, jako jsou smartphony a laptopy. Má však některé nevýhody, včetně kratší životnosti a možných bezpečnostních problémů při poškození.

Lithium-nikl-mangan-kobalt oxid (NMC)

Baterie NMC mají vysokou energetickou hustotu kobaltových článků a lepší bezpečnost. Našly své široké využití v elektromobilech a elektrickém nářadí. Výzkumníci stále pracují na snižování obsahu kobaltu, aby tak vyřešili otázky nákladů a etického získávání surovin.

Lithium-nikl-kobalt-hliník oxid (NCA)

Podobně jako NMC, i baterie NCA poskytují vysokou energetickou hustotu a dobrý výkon. Používají se v některých elektrických vozidlech, zejména u Tesly. Mohou však být dražší a mají přísnější bezpečnostní požadavky.

Bezpečnostní obavy: Problém "hořících elektromobilů"

Ačkoli lithium-iontové baterie způsobily revoluci v přenosné elektronice a elektrických vozidlech, čelily obavám ohledně své bezpečnosti. Zprávy o požárech elektrických automobilů vzbudily značnou pozornost médií.

K těmto incidentům obvykle dochází v důsledku tepelného úniku, kdy poškození baterie nebo výrobní vada může způsobit řetězovou reakci vedoucí k rychlému nárůstu teploty a potenciálnímu požáru nebo výbuchu. Je důležité poznamenat, že:

1. Takové incidenty jsou statisticky vzácné ve srovnání s počtem elektromobilů na silnicích.

2. Výrobci neustále zlepšují systémy řízení baterií a vyvíjejí stabilnější chemické složení, jako je LiFePO4, aby zvýšili jejich bezpečnost.

3. Vozidla se spalovacími motory také nesou rizika požáru, ale tyto incidenty jsou často vnímány jinak, protože již nejsou ničím novým.

Je nezbytné pokračovat ve zlepšování bezpečnosti baterií při současném zachování nebo zvyšování jejich výkonu. To zahrnuje lepší konstrukci baterií, účinnější tepelný management a vývoj solid-state baterií, které by mohly nabídnout výrazné bezpečnostní výhody.

Budoucnost baterií: Další generace technologií

Zatímco lithium-iontové baterie v současnosti dominují trhu, výzkumníci a společnosti hledají alternativní technologie, aby tak vyřešili velikost nákladů, dostupnost surovin a jejich výkon. Zde jsou některé slibné možnosti:

Sodíkovo-iontové baterie

Sodíkovo-iontové baterie se jeví jako potenciální alternativa k lithium-iontovým, zejména pro stacionární ukládání energie. Klíčové výhody zahrnují:

1. Dostatek sodíku, snižující závislost na dodavatelských řetězcích lithia

2. Potenciálně nižší náklady

3. Dobrý výkon při nízkých teplotách

Ačkoliv mají v současnosti nižší energetickou hustotu než lithium-iontové baterie, probíhající výzkum tento rozdíl postupně zmenšuje. Společnosti jako CATL již sodíkovo-iontové baterie začaly vyrábět ve velkém měřítku.

Solid-state baterie

Solid-state baterie nahrazují tekutý nebo gelový elektrolyt nacházející se v konvenčních lithium-iontových bateriích pevným elektrolytem. Potenciální výhody zahrnují:

1. Vyšší energetickou hustotu

2. Zvýšenou bezpečnost (snížené riziko požárů)

3. Rychlejší nabíjecí schopnosti

Do vývoje solid-state baterií výrazně investuje několik významných automobilových a technologických společností, ale jejich masová výroba zatím zůstává výzvou.

Kovovo-vzduchové baterie

Technologie jako lithium-vzduchové nebo hliník-vzduchové baterie slibují neuvěřitelně vysoké energetické hustoty. Využívají kyslík jako jeden z reaktantů, což například pro elektrická vozidla  nabízí potenciálně mnohem lehčí baterie s delším dojezdem. Tato technologie však stále čelí značným technickým překážkám, včetně omezené možnosti opakovaného dobíjení.

Flow baterie

Flow baterie získávají na významu pro ukládání energie v rámci elektrických sítí. Tyto systémy ukládají energii v tekutých elektrolytech držených v oddělených nádržích, což umožňuje snadné škálování kapacity. Zatímco nejsou vhodné pro přenosné aplikace, mohou být klíčové pro integraci obnovitelných zdrojů energie.

Cesta vpřed

Při pohledu do budoucnosti je jasné, že technologie baterií se bude i nadále rychle vyvíjet. Tlak na čistší energii a dopravu vede k bezprecedentním investicím a výzkumu v této oblasti. Klíčové trendy, které je třeba sledovat, zahrnují:

1. Pokračující zlepšování lithium-iontové technologie se zaměřením na energetickou hustotu, rychlost nabíjení a bezpečnost

2. Budování udržitelnějších a etičtějších dodavatelských řetězců

3. Vznik nových chemických složení a designů s ohledem na různá využití

4. Integrace umělé inteligence a pokročilé materiálové vědy pro urychlení vývoje baterií

Cesta, která začala Voltovým jednoduchým sloupem, nás dovedla do světa, kde baterie napájejí vše od drobných lékařských implantátů až po masivní systémy ukládání energie pro elektrické sítě. Zatímco čelíme výzvám změny klimatu a potřebě udržitelné energie, mohou být další kapitoly v historii baterií těmi nejzajímavějšími – a nejdůležitějšími.