Z čeho všeho se skládá moderní baterie pro elektroauta?
Dnes už baterie není jen anoda, katoda a separátor, ale je tam také spousta elektroniky nebo-li Battery Management System (BMS), který zajišťuje komunikaci mezi baterií a autem. Je skoro důležitější než články samotné.
Elektronika nedovolí baterii vyjít z komfortní zóny a pokud na to dojde, odešle informaci a případně baterii odpojí nebo je schopna ji ochránit před přepětím. Chrání ji před vnějšími vlivy jako zima a otřesy i před sebou samotnou a jejím elektrochemickým systémem desítek až stovek článků.
Pavel HrzinaVystudoval Fakultu elektrotechniky Českého vysokého učení technického v Praze, obor Elektrotechnologie a materiály. Mezi jeho hlavní zaměření patří fotovoltaika a akumulační zdroje energie. Působí jako vedoucí pracovní skupiny pro malé zdroje a akumulaci v Solární asociaci a Univerzitním centru |
Co z pohledu materiálu nalezneme v baterii?
Jsou to materiály na trhu málo dostupné, jako kobalt, a to proto, že se o něj musí výrobci baterií dělit s dalším chemickým průmyslem, třeba výrobou pneumatik.
Zato lithium je primárně využíváno pro výrobu baterií. Není jej málo, ale omezuje ho zase to, že se těží z ekonomicky výhodných zdrojů. Podobně jako u ropy je problém v dostupnosti během těžby.
V baterii bychom našli skoro celou periodickou tabulku. Mangan, nikl, hliník, železo, měď, zlato a další.
Zhodnotil byste klady a nedostatky lithium-iontové baterie?
Plusem je, že oproti dřívějším olověným či nikl-kadmiovým bateriím má nezvykle vysokou hustotu energie, tedy víc energie na jednotku hmotnosti či objemu. Je proto vhodná také do malých přístrojů, do mobilů, laptopů, zkrátka do věcí, které potřebují být mobilní.
Další výhodou je relativní dostupnost materiálu. Záporem Li-ion baterií je citlivost na okolní podmínky. Například ji nemohu nabít, pokud je venku pod nulou. Baterii se to nelíbí a dochází v ní k chemickým změnám, které zkracují životnost.
Fabrika na baterie elektroškodovek připomíná laboratoř. Dělník se musí vybít |
Daří se podchytit izolace baterií, aby k tomu nedocházelo?
Je tu snaha tenhle aspekt posunout dál. Dobré je, že ji jsme schopni vybíjet i při záporných teplotách, tudíž se počasí trochu projeví na dojezdu, ale spíše na něj má vliv ostatní spotřeba, jako vytápění kabiny.
Baterie při nabíjení mnohdy část energie použije, aby se teplota článků dostala nad nulu a až potom začne elektřinu ukládat. Nemůžete obalit baterii polystyrenem, protože produkuje při provozu dost tepla a upekla by se.
Bývají chlazeny kapalinově, mají chladič s oběhem s nemrznoucí směsí. Akumulátor je v elektromobilu hodně zatěžován a zvlášť při zrychlení hodně žere, stejně jako auto na benzín. Na druhou stranu elektroauto umí při brždění vracet energii nazpět, takzvaně rekuperovat, což se u spalovacího motoru nestane, že by vám vracel benzín do nádrže.
Další nevýhodou ale bude malé množství cyklů a ztráta životnosti při nabíjení na maxima a vybíjení na minima, že?
Řekli jsme si, že baterii ovládá BMS, který mi ukazuje, kolik energie mi dovolí využít, a ne kolik kapacity celkově baterie má. Nula u lithiové baterie není to samé, co u tužkové. Systém jí nedovolí podbít pod určitou hladinu napětí.
Nutno říct, že 500 cyklů u NMC (baterie Lithium-Nikl-Mangan-Kobalt, pozn. red.) se zdá jako málo, ale díky BMS vydrží v autě dva tisíce cyklů, protože nevybíjí na nulovou kapacitu. Tesla ve svých modelech během hurikánu Michael prodloužila dojezd aut o třicet mil tím, že BMS dostal zprávu z centrály, že si může dovolit vybít víc energie než obvykle.
Rozstřel
Sledovat další díly na iDNES.tvVyvíjí se tedy stále lithiové baterie, nebo je to slepá větev? Narážíme na jejich fyzikální limity?
Určitě má výzkum stále kam jít. Jednou z cest je pevný elektrolyt, který má umožnit rychlejší nabíjení. To ale znamená větší ohřátí baterie a zkrácení její životnosti. S tím by pevný elektrolyt mohl pomoci.
Hledá se způsob, jak snížit spotřebu materiálů jako kobalt, o což se nadějně pokouší i Elon Musk, ale zatím bez průlomu. Vědci se snaží najít i cestu kombinací úplně jiných materiálů, které by vyřadily lithium.
Třeba baterie sodík-síra, která vydrží být v provozu i při 300 stupních Celsia. Může se to zdát jako blbost, ale třeba elektroauta v arabských zemích spotřebují spoustu energie jen na chlazení. Takže ano, ten vývoj pokračuje.
Takže auta na Blízkém východě budou mít úplně jiné baterie než ty v našem mírném pásu?
Určitě. Děje se to i u aut se spalovacími motory. Škodovky, které putují na Sibiř, mají větší autobaterku, silnější kabely a startér. Naopak v těch určených do Emirátů je lepší systém chlazení.
Proklepli jsme elektrický nissan. Výdrž baterie překvapila |
Právě baterie s pevným elektrolytem budou základem nového Nissanu Leaf. O stejné baterie má zájem i Tesla a Volkswagen. Vedle rychlého dobíjení slibuje Nissan i vyšší životnost, vyšší kapacitu a nižší cenu. Je to reálné?
Určitě je, protože pokud máte vyšší kapacitu na jednotku objemu, pak využijete méně materiálu jako kobalt a klesne vám cena. Mohou se projevit problémy se životností, které nemůže nikdo předpokládat. Nedokážete zkrátka urychlit testy.
Chcete-li zjistit cyklickou životnost baterie, musíte udělat tisíc cyklů, abyste se dobral reálnému výsledku a ne odhadům. Auto s dojezdem 500 kilometrů bude vybíjet baterku 5 hodin. Nabíjet ji budete muset 10 hodin na normální nabíječce a ne 5 hodin na Superchargeru, který vám zkrátí životnost.
Patnáct hodin na cyklus znamená rok testování plus rok vývoj. Takže se ve vývoji hodně pracuje s pravděpodobností, statistikou a výsledek je odhad. Vývojáři mohli ale něco podělat a za dva měsíce provozu baterie začnou hořet.
V prodejně explodovala stará baterie, velkému požáru zabránili zaměstnanci |
Nabízí se tu otázka bezpečnosti. Objevují se tu a tam zprávy o nekontrolovaném vzplanutí elektroaut. Jak vývoj pokročil v této oblasti?
Je velká snaha nabídnout co nejbezpečnější baterie. Bohužel to naráží na fyzikální zákony, protože u superúčinné baterie se energie v ní snaží dostat ven nejkratší cestou. Čím je baterie výkonnější, tím je riziko ohně větší, ale BMS je čím dál kvalitnější a dokáže zachytit spoustu vad v samotném zárodku a auto odstaví.
Velká část požárů má stejnou příčinu jako u spalovacích motorů - závadu elektroinstalace. Klasické auto vám při požáru v mžiku shoří a zbyde vám ohořelá plechovka. Bohužel elektromobily mají problém, že vám mohou zahořet znovu, od baterky. Pokud nezahoří hned, kvůli poškození tu stále je to riziko, například při převozu zbytku auta.
Stačí malý impuls k tomu, aby se překřížily drátky a baterka chytne znovu a může hořet několik dní. Jediný bezpečný způsob likvidace je rozebrat ji. Autorizovaných servisů je však málo a ten řetězec není uzavřen. Ale jinak jsou baterky bezpečné. Také nosíme v kapsách mobily a nebojíme se, že začnou hořet, přestože se jedná o stejnou baterii.
Bude možná standardizace u baterií do elektroaut podobná USB-C?
To bude problém. Jediný standard, který se drží v bateriích, je článek velikosti 18650, kterou najdete v akumulátorech v noteboocích, powerbankách, e-cigaretách, apod. Všechny ostatní používané články jsou unikáty. Nahradit je pak bude problém. U elektromobilů se tomu bude navíc výrobce bránit, protože bude chtít prodat nová auta.
Plánované zastarávání (angl. planned obsolescence) je byznysová strategie, která znemožňuje funkčnímu zařízení být nadále v provozu a užitečné. Může se jednat o degradace baterie iniciované softwarovou aktualizací. Z pohledu firem je nutností pro životaschopnost finančního modelu firmy. |
Je to ten samý problém jako obecně u elektroniky s právem na opravu.
Ano, plánované zastarávání technologií bude problém i zde, ale bude záležet, jak se k tomu výrobci postaví. Třeba staré olověné autobaterie jsou plně recyklovatelné. Je nutné vymyslet rozumný oběh a uzavřít ten cyklus. Na tom se intenzivně dělá po celém světě, protože baterií je stále víc a víc.
Což je zásadní i vzhledem k tomu, že materiálu je na planetě konečné množství.
Máte pravdu. Až tu bude díky elektroautům větší množství baterií, nastane boom recyklačního průmyslu. Automobilky budou chtít mít tuto část byznysu pod kontrolou, protože si spočítají, že získávání materiálů zpět bude výhodnější, než čistě jen nová těžba. Dnes se takhle neustále točí měď, která se používá v elektronických obvodech, a těží se jí úplné minimum.
Jaký podíl má baterie na ceně elektromobilu?
Ani já, ani žádná automobilka vám tohle nedokáže říct, záleží na jednotlivých složkách, které vám dohromady tvoří cenu - na vnitřní elektronice a měniči, který pohání elektroauto, vybavení, nákladech na software, crash-testech.
Baterie bude klidně i polovina ceny auta. Cena nebude padat, protože levnější baterie nezvládnou námahu, jakou v autě podstoupí. Levnější, nízkokapacitní baterie v elektromobilu, který má pak kratší dojezd, se logicky rychleji opotřebuje, protože k většímu počtu cyklů dojdeme rychleji.
Rozstřel
Sledovat další díly na iDNES.tvLiší se nějak baterie pro akumulaci energie z obnovitelných zdrojů (OZE) a pro elektromobily?
Určitě ano, hlavně v odolnosti. U baterií pro OZE nemusím řešit otřesy ani změny teplot, protože mi leží v klidu ve sklepě. Taky u ní neřeším náhlé impulsní odběry elektřiny, jako při akceleraci auta. Proto se jeví zajímavý druhý život pro baterie z elektroaut pro akumulaci z OZE, protože bude málo namáhána.
Jak byste obecně zhodnotil vývoj za posledních šest let?
Baterie se staly normální součástí života. Dnes není jejich pořízení pro rodinný dům problém, také elektroauto se stalo běžným dopravním prostředkem. Technologie dospěla. Může se objevit nová, ale máme k dispozici vcelku vyhovující systémy.
Odkloníme se někdy od lithiových baterií?
Bylo by to dobré, ale otázka je, zda je to z ekonomického hlediska možné. Automobilky dnes nejsou v záviděníhodné situaci a výzkumy zkracují tak, aby přinášely okamžitý užitek. Spíš vymýšlí inovace, ne vynálezy a optimaluzují výrobu. To kvůli rostoucímu tlaku na výrobu baterií, protože elektřina je drahá a lidé chtějí obnovitelné zdroje.
Nafta je drahá a lidé poptávají elektromobily. Změny nenastaly válkou na Ukrajině, ale příchodem Zelené dohody a přechodem na bezemisní energetiku.
Válka zvedla zájem o fotovoltaiku, solární panely chystají Hyundai i Tatra |
Nejlevnější modely elektroaut se ale právě teď pohybují cenou okolo 500 tisíc korun. To je příliš pro kohokoliv ze střední třídy anebo těch, kteří auto nevyužívají denně. Zvládneme se dostat na cenu pod 200 tisíc do předpokládaného konce spalovacích motorů v Evropě v roce 2035?
To bude záležet na tom, jak zdraží energie, potraviny a jiné komodity. Každopádně elektroauta podle mě o moc nezlevní, zůstanou u toho půl milionu.
Co se změní, je to, že auto už zkrátka nebude mít každý. Dnes si koupíte takovou starou šunku, která má dvojnásobnou hodnotu, když jí doplníte nádrž. Ale elektroauto si nebude moct dovolit nikdo ze střední třídy, pokud ho skutečně nebude využívat denně a mít z něj ekonomický užitek. Elektromobil není navržený na ježdění na víkend za babičkou.
Sníží se počet aut a budou luxusnějším zbožím. Naopak se rozšíří to, co se dnes tlačí do mladých, a to je sdílená mobilita. Elektromobil si o to trochu říká, protože je možné získat přesné informace do telefonu, jako stav baterie. Auto můžete třeba odstavit na nabíječku v nákupním centru. Finančně pár korun za výpůjčku nebude žádný problém.
A co trh s auty z druhé ruky? Auta, která jsou dnes v prodeji, nebudou dostupná v bazarech?
Elektromobil z druhé ruky bude pravděpodobně nepojízdný. Údržba elektromobilu je bezvadná, ale nebude mít možná baterii, která vydrží dost dlouho. Půjdou pravděpodobně sehnat ojetá auta z firemních flotil. Možná budou i baterie, které vydrží deset, patnáct let, ale spíš se to posune k rozvoji carsharingu a taxíků na menších městech. Zase to zvýší zaměstnanost a více lidí půjde do služeb, protože automatizace nám bude snižovat počet míst v průmyslu.
I kdyby se zaměřily automobilky na standardizaci, pořád tu nebude prostor pro bazarový trh? To opotřebování se pořád vztahuje jen a jen k té baterii.
Nikdo nemá pořádně namodelované, jak ty baterky budou opotřebované. V platformě automobilu bývá standardně baterie složena z více bateriových packů.
Pokud mám vyhodit z auta jeden opotřebovaný bateriový pack, je to fajn. Pokud bych měl z jednoho packu vyhodit jeden článek, je to prakticky nemožné. Pack je svařovaný dohromady. Musela by se změnit technologie, ale hrozí náchylnost k otřesům apod. Zároveň si to automobilky budou hlídat a třeba s neoriginální baterií auto nenastartuje.
Zatím to vypadá dost dystopicky.
Není to veselé. Jsou to změny přístupu k automobilismu, ale možná k lepšímu. Spalovací motory jsou na konci technického vývoje. Rok 2035 je zkrátka příliš brzy. V roce 2070 bude snad možné, že si za půlku výplaty koupím elektromobil. Ale jestli se mýlím, budu strašně rád.
