Těžko tu hovořit o nějakém technologickém „průlomu“, těžko je považovat za novinku. Nápad vytvořit baterií s pevnými elektrodami a/nebo pevným elektrolytem – je tu už opravdu hodně dlouho. Prakticky od počátku 19. století. Ale rozvedení tohoto historického modelu pro potřeby současnosti má své nepopiratelné přednosti. Navíc se zdá, že se na této „adaptaci minulosti pro budoucnost“ ve velkém pracuje po celém světě.
Jak to funguje? Pořád tu máme chemický zdroj elektrického napětí, které vychází z rozdílu elektrického potenciálu na kladně a záporně nabitých elektrodách. Ale zatímco u současné dobíjecí klasiky, lithiových baterií Li-Ion, je elektrolyt v kapalném stavu – potažmo u Li-Pol, kde je elektrolytem polymerový gel – je u polovodičových baterií elektrolyt pevný. Tuhý, netekutý. K čemu je to dobré?
U polovodičové baterie netřeba články sério-paralelně sestavovat z jednotlivých modulů do bateriového celku. A protože v takové „pevné“ baterii není třeba vytvářet těla článků – separátorem je tu sám elektrolyt – dochází tu k výraznému technologickému usnadnění ve výrobě. V jednom bloku je vše potřebné, nedělené. Což vede k nižší spotřebě materiálu, nižší hmotnosti konečného produktu. A rovněž k navýšení bezpečnosti, protože v případě poškození tu nedochází k úniku tekutého elektrolytu do vnějšího prostředí.
Polovodičové baterie pro elektromobily tak díky svému kompaktnímu uspořádání – nejen teoreticky – dosahují výrazně lepší hustoty energie (Wh/l) i specifické energie (Wh/kg). A to v praxi znamená, že polovodičová baterie ve srovnání s „tekutou“ Li-Ion může nést minimálně dvakrát tolik energie.
„Použitím kovového anodového materiálu (lithia) místo obvyklého grafitu dosahují polovodičové baterie vyšší hustoty energie — teoreticky až 11 kWh/kg. V praxi se zdá realizovatelná 1 kWh/kg, což je stále čtyřikrát více než u současných lithium‐iontových baterií. To by při stejném množství energie dále snížilo hmotnost až o 30 procent,“ uvádí report z konference Electronica z května 2022.
Výhra s ručením neomezeným
Převedeno na rovinu spotřebitele a udržitelného automobilismu to znamená nejméně dvakrát takový dojezd. A jak jistě víte, zrovna faktor omezeného dojezdu na jedno nabití je považován za zásadní brzdu rozvoje elektromobility.
Elon Musk nadšení z polovodičových a polo-tuhých baterií rozhodně nesdílí.
Polovodičové baterie toto řeší, a přidávají k tomu pořádnou porci spolehlivosti. Samozřejmě ani tato solid-state baterie není zázračně samospasitelná. I ona má své formální nedostatky. V pevném elektrolytu je vyšší odpor a s ním jsou spojené vyšší ztráty při vysokých výkonech, je tu nižší životnost ve smyslu počtu dobíjecích cyklů a taky pomalejší nabíjení. Ale o důvěryhodnosti téhle technologie dobře vypovídá fakt, že už jsme jí dávno svěřili starost o lidské životy.
Kardiostimulátory, budíky ladící rytmy nemocného srdíčka, pohání právě tyto baterie. Pochopitelně že v mnohem menším balení, než by se zamýšlelo u aut na baterky.
U aut s polovodičovými bateriemi by bylo třeba domyslet i další provozně podstatné náležitosti. Celkové náklady na výrobu, trvanlivost produktu, rizika sníženého výkonu při neoptimálních – nízkých – teplotách. A ono protivně pomalejší dobíjení.
Zdá se však, že zrovna tyto výzvy už patří k položkám, které si vývojáři z laboratoří světových automobilek odškrtli. Zprávy ze světa totiž líčí polovodičové baterie pro elektromobily jako něco, co už v podstatě klepe na dveře. Každý to ovšem tak růžově nevidí.
„Co v laboratoři fungovalo dobře, se vehementně brání navýšení objemu,“ zaznělo na konferenci Electronica 2022 v Mnichově.
„Neočekáváme, že by se akumulátory s pevným elektrolytem na bázi oxidů a sulfidů v příštích pěti letech objevily ve větším měřítku na automobilovém trhu. Je to proto, že technologie pro tento typ akumulátorů ještě není zralá,“ uvedl v roce 2022 Thomas Schmaltz, který koordinoval výzkumné práce Fraunhoferův Institut pro výzkum systémů a inovací ISI v Karlsruhe na studii o solid-state bateriích. Hlavní problém článků s pevným elektrolytem jsou podle studie vysoké výrobní náklady.
A konečně magazín Autoweek v únoru 2021: „Články v pevné fázi mají obrovský příslib a potenciál vyřešit řadu problémů, jako je stabilita při rychlém nabíjení,“ cituje Sama Abuelsamida, hlavního analytik pro e-mobilitu ve společnosti Guidehouse Insights. „Nikomu se však zatím nepodařilo přejít od ručně vyráběných vzorků ke zvětšení velikosti článku i objemu výroby do bodu, kdy by bylo skutečně praktické pro pohon vozidla. Většina lidí, se kterými jsem mluvil a kteří skutečně vědí o bateriích, neočekává, že uvidí polovodičové články v jakémkoli objemu až do konce tohoto desetiletí.“
„V současné době jsou na trhu ve větším měřítku pouze polymerové akumulátory s pevným elektrolytem. Ty se však podle Schmaltze pro elektromobily nehodí, protože pro správnou funkci se musí zahřívat,“ píše magazín Autoweek. „Fraunhofer ISI identifikoval tři slibné skupiny akumulátorů s pevným elektrolytem, nepředpokládá však jejich brzké využití v elektromobilech. Polymerní elektrolyty jsou v současnosti v popředí výzkumu a pohánějí již malosériové elektrobusy. Průlomu v masové výrobě však dosud brání mnoho faktorů, přičemž požadovaná provozní teplota 50 až 80 °C omezuje jejich použití pro běžná vozidla a zařízení. Vývojáři vidí potenciál v oxidových elektrolytech, avšak jejich zpracování vyžaduje velkou spotřebu energie a tento elektrolyt má špatnou iontovou vodivost. Dalšími budoucími pevnými elektrolyty jsou sulfidové. Snadno se s nimi pracuje, materiál je měkčí a pružnější než oxidový elektrolyt, ale jsou dostupné pouze v omezené míře a jejich chemická kompatibilita s kovovým lithiem a materiálem vysokonapěťové katody je omezená.“
Podle studie Solid-State Battery 2021 od Yole Développement by například první baterie mohly být k dispozici od roku 2025 a výroba by se mohla do roku 2027 zvýšit na 2,36 GWh. Očekává se, že masová výroba vozidel s polovodičovými bateriemi nezačne dříve než v roce 2030. Statistika pak očekává celkovou globální poptávku po lithium-iontových bateriích pro elektromobily ve výši 1 525 GWh.
Jedno řešení pro patnáct automobilek
Například izraelský startup StoreDot hrdě oznámil, že je od plného rozjetí sériové výroby polovodičových baterií dělí méně než deset let.
Grafen a sodík všechno změní. Spásné rychlonabíjení elektroaut kutí v Číně |
Doron Myersdorf, šéfmanažer společnosti, v podstatě říká, že už mají hotovo. A že zbývá jen doladit pár procesních detailů, které umožní přesun technologie z měřítek vývojářské dílny do tovární haly a k průmyslové produkci. Ten střednědobý horizont plný očekávání hodlá překlenout tzv. polo-tuhými (semi-solid-state) bateriemi. Ty nesou 300 Wh na kilogram hmotnosti, a dobijete je za méně než pět minut.
Ale po nich – v roce 2028 – by tu už měly být první 100in3 polovodičové baterie. Slibují 450 Wh na kilogram „živé váhy“ a dobití do dvou minut, postačující k dojezdu 160 kilometrů. Navýsost sebejisté a pozitivitou sršící prohlášení Myersdorfa je podstatné už proto, že jeho řešení aktivně testuje patnáct velkých automobilek.
Jaké přesně, to už si ovšem StoreDot nechávají pro sebe.
Výrazně vyšší dojezd a kratší dobíjení, slibuje StoreDot.
S polo-tuhou Čínou raději opatrně
S těmi polo-tuhými bateriemi však na světový trh možná jako první prorazí Čína. Respektive tamní jednička v dodávání dobíjecích řešení, společnost Nio. Ta letos v únoru oznámila, že už v polovině roku vyrukuja – s opakovaně odkládaným – bateriovým blokem s kapacitou 150 kWh.
Podle šéfmanažera Nia, Qion Lihonga, by zrovna taková baterie s kapacitou 150 kWh umožnila modelu Nio ET7 ujet na jedno nabití více než tisícovku kilometrů. A to by byl světový rekord.
U senzací z Číny je však třeba nadšení trochu brzdit.
Už loni vzbudila velký rozruch zpráva o tom, že tamní výrobce baterií, společnost WeLion, uvede na trh semi-solid-state baterii s energetickou hustotou 360 Wh/kg. Ale k vidění zatím moc není. Ve všech pádech je skloňován i „mytický“ vůz Boaya FB77, který má být společným produktem společností FAW-Jilin a Shandong Baoya NEA. S polovodičovou baterií má mít na jedno nabití dojezd 600 kilometrů.
Prototyp prý spatřil světlo světa už v roce 2021, ale pandemie zpomalila další vývoj produktu a jeho uvádění na trh. Kde je mu dnes konec, těžko říct.
BMW už letos, ale stále ne sériově
„BMW rozšířilo smlouvu s americkým startupem Solid State o přidání licence na výzkum a vývoj, která automobilce umožní zahájit výrobu prototypů solid-state článků v jejím kompetenčním centru Cell Manufacturing Competence Center v Parsdorfu u Mnichova,“ uvedla automobilka ve svém prohlášení letos v lednu.
„BMW začne vyrábět články v první polovině tohoto roku s cílem vyvinout dostatečně velké baterie, aby je bylo možné otestovat ve vozidle do roku 2025,“ řekl pro Bloomberg Peter Lamp, vedoucí výzkumu a vývoje baterií BMW. Partnerem mnichovské automobilky je startup Solid Power.
„Solid Power je jednou z desítek společností, které se snaží dosáhnout ‚svatého grálu‘ inovací baterií: polovodičové baterie, která může poskytnout delší dojezd, rychlejší nabíjení, snížené riziko požáru a nižší náklady. Výrobci automobilů a společnosti vyrábějící baterie sázejí na to, že mohou dosáhnout takového průlomu do konce desetiletí, ale stále čelí velkým překážkám, aby prokázali, že laboratorní objevy lze vyrábět ve velkém měřítku,“ napsal Bloomberg.
Solid Power má smlouvy o vývoji s BMW i Fordem, kteří jsou rovněž investory. „Pokud její technologie splní určité výkonnostní cíle, mohla by se začít uvažovat o smlouvách na dodávky pro automobilový průmysl,“ napsal Bloomberg.
Tesla a ti druzí
O tom, že by v roce 2025 chtěli uvést na trh první řadu elektromobilů s polo-tuhými bateriemi, už dala vědět Toyota i Volkswagen. A do sedmi let se s nimi máme shledat i u značek Mercedes či Renault.
Na to, jak dalece je tato cesta vývoje slibná, se však názory liší. Poměrně zajímavý je postoj Tesly – a jejího svérázného šéfmanažera – Elona Muska. Ten v bateriích na principu polovodičů vidí pořád jen minulost, a nikoliv budoucnost mobility.
Nejméně patnáct automobilek z celého světa považuje cestu polovodičových baterií za správnou.
„Model S s dojezdem 965 kilometrů jsme tu mohli mít už před rokem, ale nestálo by to za to. Náš produkt by to jen zhoršilo, protože 99,9 % času byste s sebou vezli nepotřebnou hmotnost baterií. A to by jen zhoršovalo akceleraci, ovladatelnost, účinnost,“ napsal na svém Twitteru.
Cestu, kterou je třeba jít, je kvalitnější nabíjecí síť a rychlonabíječky, ne koncept baterie na vyšší dojezd. Cokoliv nad 400 kilometrů dojezdu je podle něj absolutně mimo záběr běžného řidiče a mimo profil, na který se hodlá soustředit.
O tom, jak dalece se tento vizionář elektromobility mýlí – anebo jak dalece mu dají následující léta za pravdu – se budeme moci přesvědčit už brzy. Polovodičové baterie, technologie minulosti adaptovaná na budoucnost, už opravdu stojí za dveřmi. ...to platí už dekády, ale ne a ne do nich vstoupit.
V laboratoři ano, ve fabrice neQuantumScape, kalifornský startup ze Stanfordské univerzity v lednu 2021 uvedl, že vytvořil ohnivzdorné testovací baterie, které fungují po 1 100 cyklech a zachovávají si nejméně 80 % své kapacity. „To odpovídá více než 300 tisícům mil pro 300mílovou baterii a více než 500 tisícům mil pro 500mílovou baterii,“ uvedla společnost s tím, že doufá, že své buňky začne prodávat do roku 2024. Následně se ovšem objevily námitky, že baterie QuantumScape „jsou malé a neověřené“ a „nikdy nebyly testovány mimo laboratoř“, „pravděpodobně nikdy nedosáhnou výkonu, který tvrdí.“ Uváděla to analýza investorské databáze Seeking Alpha. „Vybudování polovodičové baterie, která bude fungovat při rychlostech a teplotách potřebných pro aplikace v reálném světě, je obtížné – velmi, velmi obtížné. Ve skutečnosti tak těžké, že to nikdo neudělal.“ |
Vzdáváme to!
A ještě jeden příběh, který trnitou cestu k baterii, jež bude znamenat velký třesk pro elektromobilitu, ilustruje:
Automobilka Fisker slíbila v roce 2017 uvést baterie s pevným elektrolytem za pět let, tedy letos, v roce 2023. Model EMotion měl nabídnou dojezd 800 kilometrů a baterie se měla nabít za minutu. Jenže v roce 2021 vizionářský šéf značky Henrik Fisker oznámil, že jeho firma vývoj této technologie vzdala (údajně už na přelomu let 2019 a 2020). Uvedl, že měli projekt z 90 % hotový, ovšem ukázalo se, že zbytek nejsou schopni zvládnout, zjistili totiž, že zbývajících 10 % je prý složitějších než prvních 90 %. Solid-state baterie pro velkoobjemové komerční nasazení jsou vzdálené nejméně 7 let, možná i více, prohlásil Fisker v roce 2021.
Auty opilý Dán a jeho velkolepý elektrický flám |
„Nefungují dobře při nízkých teplotách. A nelze je vyrábět ve velkém,“ uvedl před pěti lety magazín Inc., který popsal, jak Fabio Albano, hlavní bateriový vývojář Fiskeru, vyřešil problém nízké výkonnosti polovodičových baterií tak, že v podstatě přeměnil jednovrstvou baterii na vícepatrovou. „To, co naši vědci vytvořili, je trojrozměrná polovodičová baterie, kterou také nazýváme šroubová baterie,“ popsal Fisker. „Jsou tlustší a mají více než 25krát větší povrch než tenkovrstvá baterie. To nám umožnilo vytvořit dostatek energie pro pohyb vozidla.“ „Výhodou 3-D je, že polovodičová baterie Fiskeru může produkovat 2,5krát větší hustotu energie než lithium-iontové baterie, a to za možná třetinu nákladů,“ napsal Inc. „Vytvořili jsme baterie s lepšími výsledky rychleji, než jsme si mysleli,“ naparoval se Fisker v roce 2018.
Co se zkouší v laboratoříchNeexistuje však pouze jedna polovodičová technologie. Samsung například experimentuje se stříbrno-uhlíkovými anodami, aby čelil tvorbě dendritů, k níž dochází v lithiových polovodičových bateriích. Tyto elektrochemické usazeniny lithia na elektrodách se rozrůstají do malých jehliček, které propíchnou separátor mezi anodou a katodou a mohou spustit zkrat. Kanadský dodavatel energie Hydro Quebec se zaměřuje na vývoj ultratenké lithiové kovové fólie, kterou lze použít jako anodu. Odborníci na baterie z TNO v Eindhovenu pracují na optimalizovaných trojrozměrných strukturách povrchu. Názory se liší i ohledně pevných elektrolytů. Nejčastěji se používají polymery (organické) a sulfidy (anorganické). Například partner VW QuantumScape kombinuje keramické elektrolyty s lithium-kovovými anodami. Partner společnosti BMW a Ford Solid Power mezitím používá výhradně pevné elektrolyty na bázi sulfidu, které mohou pracovat s různými anodami – jako jsou anody vyrobené z kovu lithia nebo s vysokým obsahem křemíku. Tchajwanský výrobce baterií Prologium, do kterého Mercedes nedávno investoval desítky milionů, se zaměřuje na vrstvy elektrolytu z keramiky. A Factorial Electrolyte System Technology (FEST) od americké společnosti Factorial Energy – nedávno partnera Mercedesu a Stellantis – se zaměřuje na dosud blíže nespecifikovaný materiál pevného elektrolytu, který sami vyvinuli. Podle odborníků existuje více než 40 miliard teoretických kombinací pro elektrolyty a anodové nebo katodové materiály. Najít ty správné je prakticky nemožné „ručně“. Z toho důvodu se výzkumná skupina z Helmholtzova institutu v Ulmu věnuje „vysoce výkonnému výzkumu materiálů“ s roboty a umělou inteligencí. Mají v úmyslu automaticky vyrábět, charakterizovat a optimalizovat materiály nepřetržitě. Zdroj: Electronica.de |
