Hon na perfektní baterii

Každá baterie, ať ta v budíku na nočním stolku nebo uvnitř nejnovější Tesly, funguje na stejném principu. Zjednodušeně řečeno jde o chemickou reakci ve vodivém materiálu zvaném elektrolyt, během které proudí elektrony od záporné elektrody (anody) ke kladné elektrodě (katodě). Při nabíjení baterie probíhá proces opačně. Pro vyvolání proudění elektronů mezi elektrodami v elektrolytu lze použít řadu materiálů a ideální kombinaci se snaží vývojáři najít od samého začátku komerčního využívání baterií. Přestože se skoro každý týden objeví slibná zpráva o nějaké převratné novince, v praxi elektroauta stále ještě tráví u nabíječek desítky minut a dojezdem se spalovacím motorům nedokázala vyrovnat. Proč tomu tak je?

Jedním z málo zmiňovaných faktů je, že ideální a univerzální baterie – alespoň zatím – neexistuje. Pokud by se někomu podařilo ji vytvořit, musela by mít velkou kapacitu, poskytovat vysoký elektrický výkon (schopnost vydat velké množství energie v krátkém čase), být bezpečná, odolná proti teplotním výkyvům, mít dlouhou životnost a v neposlední řadě být levná na výrobu. V praxi se ale ukazuje, že posílení jedné vlastnosti vede zároveň k omezení jiné. Výrobci proto využívají různé složení pro různé účely.

V lithium-iontových bateriích může být katoda vyrobena z oxidu lithia a kobaltu, který jí poskytuje dlouhou výdrž, kvůli čemuž je používána v mobilech a laptopech. Oxid lithia a manganu se kvůli nízké ceně používá v katodách do akumulátorů v nářadí. Tesla ve svých bateriích používá katody z oxidu lithia, niklu, kobaltu a hliníku, které baterii propůjčují vysoký elektrický výkon. Vzhledem k tomu, že lithium je vzácný kov, jehož těžba je environmentálně náročná, vývojáři čím dál tím častěji experimentují s jinými zdroji iontů, například sodíkem, hořčíkem nebo hliníkem. Sebemenší změna ve složení totiž ovlivní výslednou podobu akumulátoru natolik, že je potřeba prototypy podrobit náročnému testování, a od laboratorních konceptů tím pádem vede do sériové výroby velmi dlouhá cesta.

Náročnost procesu dobře ilustruje vývoj lithium-kyslíkové baterie. Není to tak dávno, kdy se o ní mluvilo jako o vynálezu, který by měl vyřešit hlavní problém li-ion baterií, tedy jejich nízkou kapacitu.

„V porovnání s li-ion bateriemi by měly mít naše akumulátory teoreticky kapacitu o řád vyšší, a telefon tedy budete dobíjet jen jednou týdně,“ zahájil svou přednášku na fóru pořádaném University of Kansas doktor Xianglin Li, který na výzkum lithium-kyslíkových baterií získal grant americké National Science Foundation.

Výčet problémů, který následoval, ale optimismus zchladil. Vývojáři se například setkali s problémem, že se kyslík během chemických reakcí v baterii měnil na peroxid lithný, který postupně poškozoval komponenty akumulátoru a omezoval možnost opakovaného dobíjení. Další překážkou je, že baterie musí mít možnost absorbovat kyslík z okolního prostředí, a vývojáři proto složitě hledají materiál s ideální porézností, strukturou, vodivostí a dalšími vlastnostmi, který by to umožnil. 

I kdyby se podařilo vše zdárně vyřešit, zůstává ještě jeden zásadní problém, a to nízká hustota elektrického proudu. Slovy Xianglin Liho: „Lithium-kyslíkový akumulátor vydrží nabitý dlouhou dobu, ale neposkytne nám moc energie. Kdybychom ho dnes instalovali do elektromobilu, ujedete na jedno nabití 800 kilometrů, ale nebudete moci akcelerovat a pojedete rychlostí pár kilometrů za hodinu. Což nezní jako moc velká zábava.“

Ještě lepší perspektivu, se kterou je potřeba nahlížet na titulky „Vědci vyvinuli převratnou baterii“, poskytuje případ firmy Envia. Startup založený v roce 2009 o tři roky později oznámil, že se mu podařilo vyvinout baterii, která by na jedno nabití vystačila na jízdu z Washingtonu do New Yorku (asi 400 km) s výrobní cenou kolem 15 000 dolarů. Složení akumulátoru bylo doslova futuristické. Na jednu elektrodu vývojáři použili experimentální kompozit na bázi křemíku, na druhou zcela nový materiál složený z niklu, manganu a kobaltu (NMC). První výsledky byly natolik slibné, že automobilový gigant General Motors od Envie koupil licenci na vývoj a potenciální výrobu. Euforii ale brzy zchladily frustrované zprávy, které do startupu začaly proudit z laboratoří GM. Tamější inženýři totiž nedokázali replikovat výsledky, které Envia prezentovala, a asi po roce pokusů spolupráci ukončili.

Co bylo příčinou? Kupodivu další a ne příliš často zmiňovaný fakt, a to sice, že dodnes přesně nevíme, jaké procesy se uvnitř baterií odehrávají, takže jejich vývoj často probíhá způsobem pokus – omyl. Envia se po mnoha experimentech s kompozitními materiály dopracovala k baterii, u které ale sami vývojáři nevěděli, proč funguje tak, jak funguje. Ve složitých chemicko-fyzikálních procesech, které v akumulátoru probíhají, totiž záleží na sebemenší odchylce ve složení každého komponentu. Takže je docela dobře možné, že nová baterie vykazovala slibné výsledky jen díky nějaké drobné kontaminaci v kterékoliv ze stovek materiálů, které v ní byly použité.

S podobnými problémy jako Envia se potýká doslova každý vývojář a zdlouhavý a drahý proces jejich řešení bývá často nad síly malých startupů, které se do výzkumu pouští. Není náhodou, že nejvýraznější vylepšení technologie baterií pochází z laboratoří velkých firem, které nepřichází s převratnými novinkami, ale jdou cestou postupného vylepšování již existujících řešení. A to mluvíme stále jen o vývoji. Spuštění sériové výroby je tak obrovsky nákladný proces, že ho firmy mohou zahájit až v okamžiku, kdy mají k dispozici perfektně fungující a odzkoušený produkt. V případě baterií to platí dvojnásob, protože se budou montovat primárně do automobilů, kde jakákoliv závada znamená ohrožení lidských životů a miliardové soudní procesy. Na novou generaci elektromobilů si budeme muset tím pádem ještě nějakou dobu počkat.

V současnosti známe několik technologií, u kterých se očekává, že by mohly v dohledné době přinést výraznou změnu. Která to nakonec bude, zůstává bohužel ve hvězdách.

A jaké možnosti máme?

Alternativní struktura akumulátorů

Mezi výrazné hráče na tomto poli patří česká firma HE3DA . Pracuje s osvědčenou lithio-iontovou technologií, ale zcela změnila vnitřní uspořádání článků. Namísto tenkých fólií používá v akumulátoru hliníkové a měděné rámy, do kterých je zasazený aktivní materiál ve formě lisovaných disků. Silnější elektrody pojmou více elektrické energie, jsou odolnější a díky nanomateriálu, který pokrývá jednotlivé vrstvy, je baterie nehořlavá a odolná proti mechanickému poškození. HE3DA v současnosti rozjíždí vlastní výrobu nejen vysokokapacitních akumulátorů pro skladování energie z OZE, ale i baterií pro použití v elektromobilech.

Akumulátory s pevným elektrolytem

Pevný elektrolyt je koncept, se kterým se experimentuje už více než dekádu. Umožnil by výrobu tvarovatelných baterií s vysokou hustotou a životností, a především by odstranil nebezpečí vzplanutí a výbuchu, ke kterému jsou dnešní tekuté vodivé roztoky velmi náchylné. Pevné elektrolyty ve srovnání s tekutinami zatím nezaručují dokonalý kontakt s celým povrchem elektrod, a vykazují proto menší efektivitu. Průlom se očekává od technologie pevných polymerů fungujících při vysokých teplotách nebo od elektrolytů na bázi keramických látek. Ty by teoreticky mohly vykazovat stejnou vodivost jako tekuté elektrolyty i při běžných teplotách. Do technologie masivně investují automobilky jako Toyota a Volkswagen a vývojáři slibují zásadní průlom v horizontu několika málo let.

Lithium-sírové akumulátory

Tato technologie obsahuje lithiovou anodu, ale namísto pevné katody používá roztok s vysokým obsahem síry. Koncept by mohl razantně (až pětkrát) navýšit kapacitu akumulátorů, snížit jejich hmotnost, umožnit rychlejší nabíjení a vyšší výkon. Zatím se potýká s velkou mírou samovybíjení, malou životností a dalšími problémy. S použitím nových materiálů, jako je grafenový aerogel, který by sírový roztok absorboval, by mohly Li-S baterie spojovat přednosti baterií s tekutým i pevným elektrolytem, a umožnit tak elektromotorům vstoupit i do leteckého, nebo dokonce i kosmického průmyslu.

Termální baterie

Je zcela nový koncept, který pro skladování energie používá teplo. Při nabíjení se uvnitř článků rozpouští křemík, který může v porovnání s lithiovými akumulátory skladovat až šestinásobek energie. První funkční prototyp TED (Thermal Energy Device) má kapacitu 1,2 MWh na článek, je levnější než lithiové akumulátory a díky tomu, že křemík při cyklickém zahřívání nedegraduje, má velmi dlouhou životnost. Při testování vykazovala baterie stejné výsledky i po třech tisících cyklech.