Snaha vylepšit současné baterie a vyvinout lepší je urputná. Do značné míry proto, že trh roste raketovým tempem. Výzkum má výsledky, i tak ovšem málokterá baterie umí vše, co bychom od ní chtěli.
Více než desítka různých států již oznámila, že všechna nová auta musí být do roku 2035 nebo dříve elektrická. Mezinárodní agentura pro energii předpovídá, že celosvětový počet elektromobilů na silnicích vzroste z 16,5 milionu v roce 2021 na téměř 350 milionů v roce 2030 a že poptávka po energii z baterií elektromobilů dosáhne do roku 2050 14 TWh, což je 90× více než v roce 2020. Vytvořit prakticky použitelnou baterii pro automobil jakéhokoliv druhu není jednoduché. Požadavků je hodně: musí být fyzicky robustní, pracovat za mrazu i vedra, být bezpečná a cenově dostupná. Zároveň musí pojmout hodně energie do co nejmenšího objemu a hmotnosti, aby automobily mohly na jedno nabití ujet delší vzdálenost. Kromě kapacity musí nabídnout také dostatek výkonu pro akceleraci, rychle se dobíjet a mít dlouhou životnost (běžným standardem je, aby vydržely alespoň 1 000 plných dobíjecích cyklů, což by mělo spotřebiteli vydržet na více než 10 let). Vylepšit všechny parametry najednou je úkol téměř nemožný. Vývoj se tak často soustředí na dílčí řešení části těchto požadavků. Existují výzkumné programy, které mají primárně za cíl zvýšení kapacity, jiné rychlosti dobíjení, další ceny. Například jeden americký program při ministerstvu energetiky má za cíl snížit cenu baterií do roku 2030 na 60 USD za kWh, což je zhruba polovina dnešních cen pro většinu odběratelů a zároveň také úroveň, při které by se cena elektromobilů měla v podstatě vyrovnat ceně vozů se spalovacími motory. Je těžké určit, zda jsou tento a další podobné cíle vlastně reálné. Informace o akumulátorech nebo automobilech, které budou na trh teprve uvedeny, nezřídka zdůrazňují jediný zajímavý parametr na úkor jiných a malují tak nepříliš realistický obrázek. Řadu tvrzení navíc není možné ověřit, dokud za sebou baterie nemají roky provozu v reálných podmínkách. Přesto je nepochybné, že vývoj je neustálý. A to z pohledu výkonu i ceny. Zásadní roli by mohla sehrát jedna na letošní rok slíbená novinka. Její výkony ale zároveň ukazují, že baterii, která by byla nejlepší ve všech podstatných ukazatelích, ještě nikdo nevyrobil.
Dobrý základ
Akumulátorové baterie jsou vlastně chemické „sendviče“ (galvanických) článků schopných opakovaně akumulovat a vydávat energii. Každý akumulátor, aby fungoval, musí sestávat minimálně z jednoho článku. Ten, aby fungoval, musí sestávat minimálně ze tří reaktantů: prvním je záporná elektroda (katoda), druhým prostředí — elektrolyt a třetím kladná elektroda (anoda). Při uzavření elektrického obvodu začne v článku docházet k chemické reakci. K vybíjení nebo k nabíjení. Při vybíjení prochází elektrický proud od záporné elektrody ke kladné, přičemž dochází k přeměně chemické energie na elektrickou, tento jev trvá do doby, dokud nejsou aktivní hmoty reaktantů spotřebovány, lépe řečeno dočasně přeměněny. Akumulátor se od běžných primárních článků (tužkové „baterie“ apod.) liší tím, že aktivní hmoty reaktantů lze během životnosti akumulátorů opět obnovit (přeměnit) pomocí nabíjení. Proud elektronů přinutíme k opačnému průchodu, od kladné elektrody k záporné. Většina elektromobilů (a také elektroniky) je dnes poháněna některou z variant lithium-iontové baterie. Lithium je třetí nejlehčí prvek v periodické tabulce prvků a velmi dobrý vodič. Ionty lithia se pohybují mezi anodou obvykle vyrobenou z grafitu a katodou z oxidu kovu, které mezi atomárními vrstvami hostí ionty lithia. Elektrolytem je obvykle organická kapalina. Lithium-iontové baterie se od roku 1991, kdy byl vyroben první komerční výrobek, zásadně vylepšily. Vzhledem ke svým výkonům, ceně a také investicím do oboru se nepochybně budou využívat ještě dlouhé desítky let, a tak se na jejich zlepšování pracuje neustále dále. I když se v brzké době na trh dostanou i v elektromobilech baterie založené na jiných materiálech a principech, lithium- iontové budou ještě dlouho dominantní na trhu. Hezky to shrnul pro časopis Nature dnes už penzionovaný „baterkář“ Winfried Wilcke: „Myslím, že lithium-iontová technologie bude pohánět elektromobily ještě celá desetiletí, protože prostě stačí.“ Výkony „lionek“ se zlepšily v nedávné minulosti především díky novým materiálům pro výrobu jejich katod. V praxi se tak používá několik druhů článků: například v noteboocích je oblíbený typ využívající pro katodu oxidu lithia a kobaltu. Takové baterie jsou lehké, ale drahé. V mnoha automobilech se využívá směsi niklu a kobaltu s hliníkem nebo manganem jako stabilizátorem (NCA a NCM). Existuje lithium-železo-fosfát (LFP), který se obejde bez drahého kobaltu a niklu, je tedy levnější, ale pojme méně elektřiny ve stejném objemu. Ve svých levnějších modelech ho využívá i Tesla. Na katodě je i přes všechna dosavadní zlepšení co zdokonalovat. V NCM bateriích výzkumníci snižují množství kobaltu ve prospěch niklu, který zároveň zvyšuje energetickou hustotu elektrody. Tato cesta vedla ke komerčním katodám baterií NCM811 s 80 % niklu a výzkumníci nyní pracují na NCM955 s 90 % niklu.
Proč brát něco jiného než to nejlepší?
V případě anody je nejčastěji uvažovanou možností výměna grafitu za křemík, který dokáže uložit 10× více atomů lithia na hmotnost. Problémem je, že křemík se během cyklů nabíjení a vybíjení rozpíná a smršťuje přibližně o 300%, což články značně zatěžuje a omezuje jejich životnost. Ale na řešení tohoto problému se pracuje a anody s obsahem křemíku se už dnes vyrábějí — a budou zřejmě v čím dál větší míře. Ještě lepším materiálem pro tuto elektrodu je ovšem přímo lithium — v takové elektrodě není „nic navíc“. Kromě snížení hmotnosti by tato změna měla urychlit nabíjení. Z chemického hlediska totiž zjednodušeně řečeno není třeba čekat, až ionty lithia proniknou do jiného materiálu. Velkým problémem této strategie však je, že během dobíjení má lithium tendenci se na anodě nerovnoměrně přeskupovat. Vznikají „hotspoty“, které tvoří útvary zvané dendrity, jež mohou doslova propíchnout elektrolyt oddělující obě elektrody a článek zkratovat. Baterie na bázi lithia s lepšími elektrodami mohou teoreticky pojmout spoustu elektřiny. Ale zatím je to za nepřijatelnou „cenu“ v oblasti životnosti nebo bezpečnosti článků. V loňském roce skupina výzkumníků z Číny, která je největší bateriovou „velmocí“ současnosti, oznámila vytvoření článku s anodou tvořenou převážně lithiem, který v laboratoři dosáhl kapacity 700 Wh/kg. Skupina založila startup WeLion New Energy v Pekingu, který usiluje o vývoj a komercializaci tohoto typu. Dalším ambiciózním nápadem s vysokou hustotou energie je lithium-sirná baterie (LiS) s kovovou lithiovou anodou a sirnou katodou. Síra však reaguje s lithiem za vzniku rozpustných produktů, které se mohou usazovat na anodě a baterii zničit. Na technologii se pracuje už několik desítek let a zatím se nezdá být praxi o mnoho blíž. Lithium prostě má své „mouchy“. A tak není divu, že se i přes všechny jeho výhody (hmotnost a další vlastnosti) hledají i možné náhrady. Jedna z nich by totiž mohla pomoci vyřešit i další problém, jehož rozsah dnes většině z nás není vůbec zřejmý.
Problém rozsahu
Byť řada bateriových vědců nadále hledá „zázračné“ články, které by pobraly co největší množství energie, je také jasné, že stejně zásadním problémem je vedle kvality i cena. A to nejen finanční, ale také environmentální. V případě masového přechodu na elektromobilitu budou totiž požadavky na suroviny ohromné. Předpokládá se, že do roku 2050 bude zapotřebí více než 10—20 TWh kapacity baterií jen pro elektromobily. Odhady se pochopitelně liší podle představ o tom, jak rychle se elektrická auta vlastně rozšíří, ale rozhodně jde o množství výrazně vyšší, než jaká jsou dnes k dispozici. Pokud by například bylo zapotřebí baterií o celkové kapacitě 15 TWh, tak bude zapotřebí zhruba 14 milionů t kovů. To je hodně. Pro srovnání, dnešní celosvětová těžba lithia činí zhruba 130 tisíc t ročně, kobaltu 200 tisíc t a niklu 3,3 milionu t. V číslech je přitom zahrnuta těžba pro všechny účely, tedy i pro baterie na jiné využití než mobilitu a v případě niklu také pro výrobu nerezové oceli. Vzhledem k plánové spotřebě dává smysl vybírat pro skladování energie dostupné a levné kovy, jejichž těžba co nejméně zatěžuje životní prostředí. Prvním krokem, který se už realizuje, je omezení spotřeby právě kobaltu a dalších relativně vzácných kovů. To už se děje a některé používané dnes vyráběné typy (LFP) se bez nich obejdou. Další možnosti se teprve připravují. Jednou jsou elektrody nazývané „neuspořádané soli“ (DRX — disordered rocksalts). Tyto materiály nemají dokonale uspořádané krystalové struktury tradičních materiálů typu kamenné soli a vyznačují se určitým stupněm „nepořádku“, který může významně ovlivnit jejich elektrochemické vlastnosti. Katodu tak lze vyrobit téměř z různých kovů, například manganu. Mezi některými odborníky panuje optimistické očekávání, že první baterie s katodami DRX budou dostupné relativně brzy, budou levnější než současné lithium- -iontové články, a přitom budou dosahovat srovnatelných výkonů.
Levnější náhrada
Konečným cílem by možná mohlo být zbavit se samotného lithia — kovu, který díky prudkému růstu poptávky a výkyvům v nabídce zažívá divoké cenové skoky. Například v letech 2022—23 se ceny uhličitanu lithného pro baterie nakrátko vyšplhaly na šestinásobek obvyklé ceny, než v průběhu loňského roku zase klesly v podstatě na původní úroveň. Vědci si pohrávají s možností nahradit lithium různými jinými nosiči náboje, včetně hořčíku, vápníku, hliníku a zinku, ale nejdále pokročila práce na využití sodíku. Sodík leží v periodické tabulce přímo pod lithiem, takže jeho atomy jsou těžší a větší, ale mají podobné chemické vlastnosti. To znamená, že mnohé poznatky z vývoje a výroby lithiových baterií lze převést na výrobu sodíkových baterií. A sodík je mnohem snazší získat: v zemské kůře je ho asi tisíckrát více než lithia. Sodíkové baterie nejsou žádný vzdálený sen. Čínský konglomerát BYD, který na přelomu roku předehnal společnost Tesla na pozici největšího světového výrobce elektromobilů, už zahájil stavbu svého prvního závodu na výrobu sodíkových baterií. A čínské automobilky Chery, JMEV a JAC oznámily, že v letošním roce budou v Číně nabízet levné vozy poháněné sodíkovo-iontovými bateriemi. Očekává se, že ceníkové ceny těchto malých vozů se budou pohybovat v přepočtu kolem čtvrt milionu korun. Z technologického hlediska je pozitivní, že větší velikost atomu sodíku nabízí možnost využití dalších kovů ve vrstvených oxidech kovů na katodě. Z chemického hlediska tedy tento hojný kov nabízí vyšší flexibilitu. Ovšem vyšší hmotnost sodíku zásadně komplikuje možnost dosažení vysoké kapacity. Jde o relativně nový typ článku, takže zatím nebylo mnoho času na vývoj elektrod a elektrolytů, které by kapacitu mohly pomoci navýšit. Energetická hustota sodíkových baterií nyní zhruba odpovídá hustotě energie nejlepších lithium-iontových baterií z doby před deseti lety. Společnost CATL má sodíkovou baterii, která v roce 2021 dosáhla inzerované hustoty energie 160 Wh/kg, údajně při ceně 77 USD za kWh. Společnost tvrdí, že v příštím modelu se tato hustota zvýší na 200 Wh/kg. Tyto nižší hustoty energie znamenají, že dojezd je omezený. Malé kompaktní vozy, které mají jezdit na sodíkové baterie, mají inzerovaný dojezd kolem 250—300 km, zatímco Tesla Model S s lithiovými bateriemi má dojezd téměř 600 km. Znamená to, že pro některé automobilové trhy nejsou dnešní sodíkové baterie vhodné. To se týká například USA, kde jsou spotřebitelé zvyklí na delší dojezdy a větší vozy. Je tedy možné, že využití pro sodíkové baterie bude zatím hlavně mimo obor dopravy. Společnosti jako britský Faradion a švédský Northvolt (obě tvrdí, že kapacita jejich baterií je také 160 Wh/kg) i další propagují své sodíkové baterie pro ukládání přebytečné energie z obnovitelných zdrojů pro elektrické sítě, kde je problém s hmotností sodíku menší. Sodík tak může být levným řešením pro budoucí baterie. Ale i když cena je pro většinu baterií problémem klíčovým, v některých případech není nejdůležitější. Zvláště, pokud by šlo o baterii, která skutečně „dožene“ benzín.
Jak dohnat benzín
V litru dnešního automobilového benzínu či nafty je o něco méně než 10 kWh energie. Tohle číslo je přibližné, pro hrubou představu. V nádrži moderního vozu tak můžete najednou vézt zhruba 500 kWh, abychom se drželi řádově správných a přitom jednoduchých čísel. Spalovací motor, převody a vůbec hnací ústrojí novějších vozů využije z této energie zhruba třetinu na to, aby hmotu vozu rozhýbalo, jak posádka potřebuje. Řekněme, že to je 160 kWh. Průměrné auto — spalovací i elektrické — potřebuje 20 kWh na ujetí 100 km. Znovu jde o údaj přibližný: malým či velmi aerodynamickým vozům může stačit poměrně výrazně méně, velká SUV — „městské traktory“ — potřebují více. Nejprodávanějším evropským elektromobilem roku 2023 byla Tesla Model Y, která má baterii s kapacitou buď 60 kWh, či 80 kWh. Spotřeba Tesly je nižší než zmíněných 20 kWh, ale dojezd se stejně pohybuje kolem 400 km, takže nad tím zamhuřme oko. Spotřeba nižší, ale vůz má také nějaké ztráty při převodu elektřiny na pohyb, takže výsledek se od našeho jednoduchého hypotetického příkladu příliš neliší. Jak vypadá srovnání? Běžné auto na fosilní palivo tedy veze na palubě dvakrát více skutečně využitelné energie než generace dnešních elektromobilů. A tak má zhruba dvojnásobný dojezd. Baterie tedy v tomto ohledu mají ještě co dohánět — a nebylo jasné, jestli se jim praxi v dohledné době vůbec podaří dohnat.
Vzdušná elektroda
Z dobrých důvodů se vždy počítalo s tím, že ty nejlepší baterie budou obsahovat i v budoucnosti velmi lehké a dobře vodivé lithium. Lithiových baterií je celá řada typů s různými výkony. Ale „zlatým hřebem“ na konci vývojové řady lithiových baterií by mohla být lithium- -vzduchová baterie. Ta by teoreticky mohla umožnit elektromobilům „dohonit“ vozy se spalovací motorem v množství energie na palubě. Tento druh baterie má vlastně jen jednu fyzickou elektrodu: kovovou lithiovou anodu. Druhá elektroda, katoda, je naše atmosféra. Když se baterie vybíjí, na anodě dochází k oxidaci lithia. Při tom se uvolňují elektrony a lithium se rozpouští v elektrolytu baterie. Elektrony udělají svou práci, obvodem se vrací na katodu, kde reagují s kyslíkem ze vzduchu. Při nabíjení baterie probíhá tento proces opačně: lithium se „regeneruje“ z elektrolytu a na katodě se uvolňuje kyslík. Na papíře je to špičková chemická baterie. Tato a další podobné tzv. kovovzdušné baterie by mohly pojmout několikanásobně více energie na kilogram než „lionky“. Z praktického hlediska to tak slavné není a někteří odborníci ji označovali neveřejně i veřejně za „chemickou pohádku“. Snahy o průlom se totiž nedařily a baterie tohoto typu byly vždy jen malá experimentální zařízení, která se při použití prakticky rozpadala pod rukama. Ovšem Larry Curtiss z Argonne National Laboratory v Lemontu ve státě Illinois a jeho kolegové v roce 2023 překvapili. Představili experimentální lithium- vzduchovou baterii v pevném stavu testovanou v laboratoři na více než 1 000 cyklů — což je obvykle uváděná (minimální) hodnota pro praktickou autobaterii. Tým uvádí, že jeho testovací článek o velikosti mince dosahuje kapacity přibližně 685 Wh/kg a je reálné dosáhnout s dalšími úpravami i kapacity zhruba dvojnásobné, tedy kolem 1 200 Wh/kg. Baterie v elektromobilech (ne samotné články, ale celé „zabalené“ baterie) mají kapacitu kolem 300 Wh/kg. Jinak řečeno, s lithium-vzdušnou baterií by elektromobil mohl mít při stejné velikosti baterií zhruba podobný dojezd, jaký dnes nabízejí vozy se spalovacím motorem. A elektrická letadla by konečně mohla začít létat ve větších počtech.
Nečekaný úspěch
Specialisté na baterie stále ještě říkají, že jejich obor je tak trochu „alchymie“: dnešní chemie nedokáže přesně popsat a předpovídat, co se v článcích děje, a tak jde o obor plný neúspěchů, slepých uliček, ve kterém se musí zkušenosti sbírat roky. V tomto případě ovšem autorům náhoda přála. Experimentální systém funguje na základě nové chemie, která překvapila i jeho objevitele. Předchozí pokusy o vytvoření lithium- -vzduchových baterií obvykle vytvářely na katodě superoxid lithný (LiO2) nebo peroxid lithný (Li2O2), které obsahují jeden nebo dva elektrony na molekulu kyslíku. Nový článek namísto toho vytváří oxid lithný (Li2O), který dokáže udržet čtyři elektrony. V jediném kroku tak dojde k přenosu čtyř elektronů, což by mělo zvýšit maximální kapacitu baterie. Toto chemické řešení se tak zdá být mnohem stabilnější než předchozí, což by se mělo odrazit v životnosti článků. Autorský tým nečekaně dosáhl cíle, ke kterému odborníci neúspěšně mířili delší dobu. „Je neuvěřitelné, co dokázali,“ okomentoval objev pro časopis Nature Winfried Wilcke (dnes na odpočinku, v letech 2009—2015 vedl bateriový výzkum v IBM) a pokračuje: „Mohou používat obyčejný špinavý vzduch s vlhkostí a oxidem uhličitým a vším ostatním, co najdete v nefiltrovaném vzduchu. Žádný problém.“ Slabinou práce je, že ji zatím nikdo nezopakoval — je tedy stále možné, že naděje jsou předčasné. A přestože se jedná o skvělý systém pro ukládání energie, není jasné, jak by fungoval v praxi — například jak by se dal vzduch přivádět a odvádět, zda by se dal postavit větší a mohl-li by fungovat při vyšších proudech. Nejde tedy rozhodně o baterii, která by mohla být dostupná během několika dalších let. Výsledek v laboratoři se automaticky nemusí přenést do praxe. Zatím je k dispozici jen malinký článek, který sice funguje poměrně dobře, ale nikdo nezaručí, že půjde jednoduše zvětšit, či že půjde vyrábět za přijatelných nákladů. To je otázka dalšího a velmi specializovaného vývoje a výzkumu, který autoři článku ze Science vůbec ještě nezačali (a nejspíš na něj asi nejsou ani ti praví, protože to je práce pro vývojáře se znalostí výrobních praktik). Ale výsledky jsou určitě v mnoha ohledech i tak zajímavé a slibné.
Každý s jinou baterií
Tým vzhledem k vysoké energetické hustotě uvažuje o využití této technologie nejlépe v letectví. Energetická hustota energie je v tomto oboru zásadním faktorem. Vhodná baterie by ale mohla otevřít nové možnosti: třeba konstrukce létajících strojů s vertikálním vzletem a přistáním, které by mohly sloužit jako „létající taxíky“. Což je služba, kterou mohou dnes nabídnout vrtulníky, ovšem za cenu, která nedovolí větší rozvoj. Neznamená to nutně, že baterie by tuto službu demokratizovaly úplně. Je celkem pravděpodobné, že kvůli technické náročnosti (třeba problému s regulací přístupu atmosféry k lithiové elektrodě) budou tyto baterie výrazně dražší než jiné typy. Dosavadní trendy naznačují, že se pravděpodobně dočkáme v budoucích dopravních prostředcích řady různých baterií. Mohli bychom se dočkat například sodíkových baterií nebo LFP pro automobily nižší třídy, vysokozdvižné vozíky nebo specializovaná vozidla. Pro vozidla střední třídy by pak mohly být k dispozici vylepšené lithium-iontové baterie, možná s křemíkovou anodou nebo katodou z kamenné soli, případně by tuto třídu mohly převzít polovodičové lithiové baterie. Pro elektromobily vyšší třídy — nebo pro „vzdušné taxíky“ — by se pak mohly používat články na principu lithium-síra nebo dokonce lithium-vzduch. Pokud nás budoucnost něčím nepřekvapí a nebude vše jinak, pochopitelně… /jj/
