Roky slibovaná revoluční baterie se snad opravdu blíží

Lithiové baterie jsou na trhu už více než čtvrtstoletí. Za tu dobu se výrazně proměnily. Ovšem při podrobném pohledu do nitra moderních baterií byste zjistili, že pokrok byl hodně nerovnoměrný: odehrál se na straně katody lithium-iontových baterií. Grafitové anody „lionek“ se zásadně nezměnily.

Náhrady za uhlíkovou elektrodu se přitom hledají desetiletí. Jedním z nejslibnějších materiálů pro anody dalších generace lithiových baterií se zdá už stejně dlouhou dobu být křemík. Dokáže totiž pojmout několikanásobně více lithiových iontů než grafit. Mimo jiné proto se dokonce během vývoje „lionek“ křemík v laboratořích jako elektroda používal – a poprvé o celých sedm let dříve než uhlík.

Experimenty s tímto prvkem však neustále narážely na technické problémy. Zdá se ovšem, že v současné době, po zhruba 15 letech postupných vylepšení a zklamaných nadějí, přišla i v bateriích „doba křemíková“.

Při nabíjení lithium-iontových baterií kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořená uhlíkem. Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu.

Dnes se používají uhlíkové anody, které sice mají dobrou elektrickou vodivost, ale z fyzikálních důvodů velmi omezenou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Kdyby se podařilo uhlík nahradit něčím účinnějším, mohla by to být výrazná změna.

Extrémně vhodným by mohl být právě křemík, který má navíc tu výhodu, že s ním jsou bohaté zkušenosti z výroby elektroniky. Jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia. Tato výhoda je dlouho známá a s křemíkem se hojně experimentovalo, bohužel má také velmi nepříjemné vlastnosti.

Významnou je, že po pohlcení elektronů „bobtná“ – velmi výrazně se změní jeho objem, a to několikanásobně, pro jednoduchost zhruba na trojnásobek původního. Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, stačí jen několik nabití, anoda se roztrhá na malé kousky a celý článek je k ničemu. Je to jedna z hlavních všeobecně známých překážek na cestě k případné lepší baterii a slepá ulička, kterou už vyzkoušela řada týmů.

Výrobci hledali různé způsoby, jak potíž obejít. Velmi malé množství, řádově jednotek procent, už roky využívají články pro elektromobily firmy Tesla. Příměs je tak malá, že nárůst objemu není velký problém a zvýšení kapacity o několik procent za něj stojí.

Tento a další podobné „fígly“, jak do baterií dostat alespoň trochu křemíku, ovšem jsou pouze ochutnávka věcí příštích.

Někteří výrobci automobilů se spojili se startupy zabývajícími se křemíkovými anodami s cílem vyrábět v polovině desetiletí levnější elektromobily s delším dojezdem.

General Motors a OneD Battery Sciences v kalifornském Palo Altu používají křemíkovou nanotechnologii OneD v bateriových článcích Ultium. Křemíková anoda společnosti Sila Nanotechnologies se sídlem v kalifornské Alamedě má být do roku 2026 v SUV Mercedes třídy G. Společnost Group14 Technologies z Woodinville ve státě Washington by měla mít svou křemíkovou baterii v elektromobilu Porsche během příštího roku.

Koncem roku 2022 získaly společnosti Group14, Sila a Amprius Technologies v kalifornském Fremontu téměř půl miliardy dolarů na komercializaci svých anodových materiálů. Zhruba 250 milionů dolarů poskytlo americké ministerstvo energetiky, dalších 214 milionů dolarů tvořily soukromé investice. (To je mimochodem i jeden příklad státní podpory elektromobility a obecně „zelených technologií“ v USA, který je předmětem evropských stížností.)

Všechny tři společnosti plánují v příštích několika letech zprovoznit domácí továrny s gigawattovou výrobní kapacitou. Skupina Group14 už zahájila v dubnu 2023 výstavbu velkého závodu Moses Lake ve státě Washington.

Křemík slibuje delší dojezd, rychlejší nabíjení a cenově dostupnější elektromobily než ty, jejichž baterie jsou vybaveny dnešními grafitovými anodami. Nejenže může ve stejném objemu pojmout více iontů lithia, ale také je rychleji přenáší přes membránu baterie. A jako nejrozšířenější prvek v zemské kůře by měl být levnější a dostupnější. Pro srovnání: v současné době se téměř veškerý grafit pro anody produkuje v Číně.

Většina firem v oboru křemíkových anod chce řešit problém s bobtnáním materiálu s pomocí nanostruktur.

V březnu společnost Amprius ohlásila křemíkovou anodovou baterii s rekordní certifikovanou hustotou energie 500 watthodin na kilogram, což je přibližně dvakrát více než u dnešních baterií pro elektromobily. Airbus a BAE Systems již používají baterie této společnosti v letadlech.

Společnost Amprius doufá, že až se jí podaří rozjet výrobu ve vlastní „gigafactory“ v roce 2025, výkonná baterie najde využití zejména v některých menších leteckých technologií, jako jsou drony a zatím jen hypotetické „létající taxíky“.

Nevýhodou technologie společnosti Amprius je poměrně vysoká cena, a navíc nejsou její postupy kompatibilní se stávajícími výrobními procesy. Právě proto se Amprius prozatím zaměřuje na specifické aplikace, jako je „městská letecká doprava“.

Cílem společnosti OneD naproti tomu je, aby do roku 2026 uvedla na trh cenově dostupné elektromobily s křemíkovou anodou. Také používá křemíkové „nanodrátky“, ovšem balí je do grafitových částeček.

Podle OneD obohacení křemíkem tímto způsobem stojí méně než dva dolary za kilowatthodinu a výsledkem jsou baterie s energetickou hustotou 350 Wh/kg, které je navíc možné nabít z nuly na 80 procent za méně než 10 minut. Jinak řečeno: společnost tvrdí, že našla způsob, jak prolomit nákladovou bariéru a levně přidávat křemík do běžných baterií pro elektromobily.

Společnosti Group14 a Sila se zase snaží cenu zkrotit tím, že navrhují křemíkové materiály, které se chovají a vypadají stejně jako černý uhlíkový prášek používaný k výrobě dnešních anod. Díky tomu podle nich nebude nutné měnit výrobní postupy.

Křemíkový prášek společnosti Sila se skládá z mikrometrových částic křemíku a dalších materiálů, které jsou obklopeny porézním lešením z jiného materiálu. Tento materiál umožňuje vyrábět baterie s o 20 procent vyšší hustotou energie než baterie s grafitovými anodami.

To může znamenat o zhruba 100 kilometrů delší dojezd u většiny elektromobilů, pokud nechcete zlevňovat, anebo o 20 procent menší, lehčí, a tedy levnější baterku. Volba může záviset na určení daného vozu. Společnost také tvrdí, že v budoucnu plánuje tuto hodnotu zdvojnásobit, ale to si nechejme nejprve předvést.

Group14 využívá své odborné znalosti v oblasti výroby porézních uhlíkových materiálů pro baterie a výkonné kondenzátory. Společnost vyrábí porézní uhlíkové částice o velikosti mikrometrů v jediném kroku a jedinou reakcí pomocí patentovaného procesu. Křemík dostává do pórů tohoto materiálu chemickým napařováním.

Křemík, který se uvnitř vytvoří, je amorfní, nikoli krystalický, jaký používá konkurence. Firma tvrdí, že toto řešení je výhodnější, protože jde o nejstabilnější formu křemíku s dlouhou životností.

Není jasné, která z technologií se nakonec skutečně prosadí a která ne. Možná se s „křemíkovou baterií“ uchytí všechny zmíněné firmy a ještě pár dalších – trh je obrovský. Důležité ovšem je už to, že se takové technologie objevují, byť třeba jejich vývoj trval mnohem déle, než firmy původně tvrdily.

Naznačuje to totiž, že ještě neskončil hlavní proces, díky kterému vůbec o elektromobilitě nebo třeba použití baterií v elektrické síti můžeme alespoň uvažovat. I když totiž nejsou chemické akumulátory tak levné a dostupné, jak bychom si přáli, v minulosti bývala jejich cena přímo astronomická – a to přitom ještě nedávno.

Když se na počátku 90. let „lionky“ objevily na trhu, byly totiž zhruba 30krát dražší než dnes. Podle nedávné studie cena lithiových akumulátorů za poslední tři desítky let klesla zhruba o 97 procent. A co za tímto rychlým poklesem cen stálo?

Když se před pár lety věnoval této otázce tým ze známé americké technické univerzity MIT, dospěl k závěru, že zdaleka nejsilnějším faktorem byly úspěšné investice do výzkumu a vývoje, zejména v oblasti bateriové chemie a materiálových věd.

Přínos těchto „vylepšení“ byl větší než přínos úspor z rozsahu, tedy úspor daných tím, že se baterie začaly vyrábět skutečně ve velkém v optimalizovaných závodech (ovšem úspory z rozsahu přispěly ke snížení cen druhým největším dílem). Zjištění by mohlo údajně pomoci i při dalším plánovaní firem i států v této oblasti.

Tým také uvedl, že i další výhledy jsou poměrně optimistické, alespoň tedy podle jeho analýzy. V technologii elektrochemických baterií jsou prý stále ještě značné rezervy, a tedy prostor pro další pokles cen. A vlna novinek, souvisejících s využitím křemíku, v posledních měsících jim dává za pravdu.

Zároveň ovšem jen pomalý rozjezd křemíkových baterií ukazuje, že inovace prostě potřebují čas. V dnešní době, s rozvinutým způsobem financování vědy a obecně výzkumu a vývoje, je tento proces rychlejší než kdy jindy. Vylepšování parního stroje z kuriozity na pohon, který spustil průmyslovou revoluci, trvalo dlouhé desítky let.

Když se tímto zařízením začal v roce 1764 zabývat James Watt, zařízení už se používalo více než půl století (Newcomův parní stroj byl k dispozici od roku 1710). Teprve poté, co se postupně – díky Wattovi a radě dalších – procento po procentu zvýšila jeho účinnost, začalo ale být opravdu užitečné.

Dnes je celý cyklus rychlejší, ale i tak velké vynálezy potřebují čas, aby skutečně dozrály.