Tradiční lithium-iontové baterie s tekutými nebo gelovými elektrolyty jsou dnes standardem nejen v elektromobilech, ale i v elektrických nástrojích či spotřební elektronice. Problémem je, že mají své limity: hustota energie už pomalu naráží na fyzikální hranice a tekuté elektrolyty přinášejí riziko úniku, degradace materiálů a bezpečnostních problémů. Solid-state baterie, kde se elektrolyt nahrazuje pevným materiálem (keramika, polymery, hybridní kompozity), slibují zpomalení těchto omezení a potenciál pro dramatické zlepšení vlastností baterií.

Z vědeckého hlediska jsou největší sliby energie nad 400 Wh/kg při použití kovového lithia jako anody, rychlého dobíjení a vyšší bezpečnosti díky absenci hořlavých tekutin. Ale právě zde výroba začíná být těžký oříšek. V článku autoři ze University of California, Riverside – Mihri Ozkan a Cengiz Ozkan – upozorňují, že kromě chemie se rozhodne soutěž v masové výrobě prostřednictvím redukce počtu kroků při zpracování elektrolytu, řešení impedance na rozhraních vrstev či hybridního vrstvení a také schopnosti začlenit solid-state materiály do existujících výrobních linek pro lithium-ion baterie.

Mezi hlavní výrobní přístupy patří tři třídy: velkové keramické elektrolyty, tenké vrstvy či kompozity válcované v „rol-pressu“, a hybridy polymer-keramika. Každý z těchto přístupů má své výhody i slabiny. Velké keramické elektrolyty nabízejí výbornou stabilitu a potenciál pro vyšší výkon, ale obtížnost při výrobě je značná: vysoké teploty při sinterování. Znamená to slinování – tedy proces, při němž se jemný práškový materiál (například keramika nebo kov) zahřívá na teplotu pod jeho bodem tání, a částice se pod tlakem a teplem spojí do pevného, kompaktního celku.V kontextu solid-state baterií jde o to, že keramické elektrolyty (například oxidy nebo sulfidové materiály) se vyrábějí právě tak, že se prášek „slinuje“ do pevné, stabilní vrstvy. Problém je, že sinterování vyžaduje vysoké teploty (často přes 1000 °C), což je energeticky náročné a zároveň může způsobit křehkost nebo mikrotrhliny v materiálu. Dále tedy křehkost materiálů, problémy s mechanickým napětím při cyklech nabíjení a vybíjení. Rol-press a kompozitní vrstvy jsou reálnější cestou pro první generace solid-state článků, protože umožňují využití existujících výrobních zařízení s menšími změnami procesu.

Velký problém představují rozhraní mezi pevnými elektrolyty a elektrodami – tam vzniká vysoký odpor („interfacial impedance“), mechanické napětí při změnách teploty a nabíjení, nedokonalý kontakt vrstev a nutnost používat mezivrstvy nebo speciální povrchové úpravy. Bez toho je výkon článků nižší, životnost omezená a výrobní výnosy malé. To je také důvod, proč některé společnosti experimentují s hybridními materiály, které kombinují pružnost polymeru a stabilitu keramiky.

Další výzvou je kompatibilita s existujícími výrobními linkami. Automobilky, které mají rozsáhlou infrastrukturu pro lithium-ion baterie, preferují řešení, které umožní adaptaci stávajících továren, místo budování zcela nových zařízení. Rolovací válce, tenké vrstvy a procesy blízké těm, jež se už dnes používají, jsou výhodou – snižují kapitálové náklady a riziko. Například Honda už spustila demonstrační zařízení pro výrobu solid-state baterií pomocí válečkování („roll-pressing“) ve své japonské jmenovité továrně Sakura.

Časový horizont je také klíčový. Automobilky, jako Toyota a Honda, slibují první aplikace solid-state baterií během druhé poloviny 2020. let. Ale odborníci připouštějí, že dosažení vysokých výkonů, dlouhé životnosti, spolehlivosti a bezpečnosti v běžném provozu – to je cesta plná kompromisů. Výroba v malém objemu, testování, optimalizace skladby materiálů, inženýrské ladění rozhraní – to vše bude trvat.

Když se podíváme na praktické dopady, solid-state baterie mohou změnit vzhled elektromobility: vozy by mohly mít větší dojezd bez zvětšení hmotnosti či objemu baterie, nabíjení by mohlo být rychlejší a méně závislé na chladicích systémech, bezpečnost by vzrostla díky eliminaci tekutých elektrolytů hořlavých při poškození článku. Také ekologické dopady – menší potřeba chlazení, delší životnost – by snížily energetický a materiálový odpad.

Některé startupy i tradiční výrobci už hlásí pokroky, ale současně uznávají, že výrobní výnosy jsou problém: defekty vrstev, špatný kontakt mezi vrstvami, problémy při lisování a sinterování, citlivost na vlhkost materiálů a ochranu rozhraní. Tyto vady vedou k tomu, že část vyrobených článků neodpovídá standardu – což zvyšuje náklady a odkládá komerční nasazení.

Výzkumníci proto doporučují zaměřit se zejména na optimalizaci rozhraní, minimalizaci zpracovatelských kroků, hybridní materiály a metody kompatibilní se současnými linkami. Tie-in: závod, kdo přijde první na trh s solid-state technologií, možná nevyhraje jen ten s nejlepší chemií, ale ten, kdo zvládne její masovou výrobu s co nejmenšími prostojemi a defekty.