Baterie pro elektromobily mají umět všechno. Neumí, i když se zlepšují

Více než tucet států vyhlásilo, 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 terawatthodin (TWh), což je 90krát více než v roce 2020.

Postavit 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 ovšem dostatek výkonu pro akceleraci, rychle se dobíjet a mít dlouhou životnost (běžným standardem je, aby vydržely 1000 plných dobíjecích cyklů, což by mělo spotřebiteli vydržet 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 cena elektromobilů měla v podstatě vyrovnat ceně vozů se spalovacími motory.

Je těžké určit, zda jsou tento a další podobné cíle vlastně reálné. Řada informací o bateriích nebo automobilech, které budou teprve uvedeny na trh, někdy zdůrazňuje jeden parametr na úkor jiných a maluje příliš optimistický obrázek. Řadu tvrzení je nemožné ověřit, dokud za sebou baterie nemají roky provozu v reálných podmínkách.

Přesto je nepochybné, že pokrok je neustálý. A to jak ve výkonu, tak v ceně. Kde by zásadní roli mohla sehrát jedna na letošní rok slíbená novinka. Její výkony ale zároveň ukazují, že baterii, která by byla ve všem nelepší, ještě nikdo nevyrobil.

Nám laikům stačí do života informace, že baterie jsou vlastně chemické „sendviče“. Dochází v nich k přenosu nabitých iontů z jedné strany (anoda) na druhou (katoda) přes nějaký meziprodukt (elektrolyt), zatímco elektrony proudí ve vnějším okruhu. Dobíjení baterie znamená přesun iontů zpět k anodě.

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 Wiclke: „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 zlepšení ještě 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.

V případě anody je nejčastěji uvažovanou možností výměna grafitu za křemík, který dokáže uložit desetkrát více atomů lithia na hmotnost. Problémem je, že křemík se během cyklů nabíjení a vybíjení rozpíná a smršťuje přibližně o 300 %, což baterii značně zatěžuje a omezuje její životnost. Ale na řešení tohoto problému se pracuje a anody s obsahem křemíku se už dnes vyrábí – a budou zřejmě v čím dále 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 tak baterii zkratovat.

Baterie na bázi lithia s lepšími elektrodami mohou teoreticky pojmout spoustu elektřiny. Ale zatím je to za nepřijatelnou cenu v 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 Whkg-1. 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 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.

Byť řada bateriových vědců nadále hledá „zázračné“ baterie, které by pobraly co největší množství energie, je také jasné, že stejně zásadním problémem jako kvalita je 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 tun kovů. To je hodně; pro srovnání, dnešní celosvětová těžba lithia činí zhruba 130 tisíc tun ročně, kobaltu 200 tisíc tun a niklu 3,3 milionu tun. V číslech je přitom zahrnuta těžba pro všechny účely, tedy i pro baterie na jiné účely 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“ („disordered rocksalts“ čili DRX). 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.

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 původního 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-1, údajně při ceně 77 USD za kWh. Společnost tvrdí, že v příštím modelu se tato hustota zvýší na 200 Wh kg-1.

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-1) i další propagují své sodíkové baterie pro ukládání přebytečné energie z obnovitelných zdrojů pro elektrické sítě, kde je problém s hmotností sodíku menší.