Baterky, kam se podíváš

Poslední dekáda byla ve znamení obrovského nárůstu výroby baterií, tedy lépe řečeno, akumulátorů. Připadá mi to jako druhá elektrifikace. Na baterie bude po čase zřejmě všechno.

Máme co dohánět, protože baterkárna v Českých zemích, která by byla v provozu, zatím žádná nestojí. Jediný pokus se zatím potácí v jakémsi hibernovaném nebytí. V dalším textu se pod pojmem "baterie" budu bavit vlastně skoro výhradně jen o akumulátorech, tedy dobíjecích elektrických článcích.

Baterie jsou potřeba nejen do malých zařízení, jako jsou holící strojky, mobily, aku nářadí, nebo další přenosná zařízení, ale i do poměrně větších, která samozřejmě potřebují vyšší příkon. Od sekaček na trávu jsme se přesunuli k elektromobilům, domácím úložištím, a na samém vrcholu stojí velká bateriová úložiště.

Některé mýty

Pokud bych měl věřit různým poplašným zprávám, tak baterie pořád hoří a někde něco zapalují. No nevím, kolikátý mobil už mám, ale nedávno jsem počítal, co všechno mám na akumulátory, a je toho celkem dost. Přitom, podle toho, co se píše by už mi měla ta zařízení po dvou-třech letech vypovídat službu. No, zatím se snížila podstatně kapacita baterie u jednoho holícího strojku, který jsem kupoval před asi pěti roky.

Další zajímavá kapitola je kapacita. Na jednu stranu se ozývají hlasy, že té energie je příliš, že to je nebezpečné, na druhou stranu čtu hlášky typu: "S tím elektromobilem nedojedu do Chorvatska s obytným přívěsem na jeden zátah. Je to k ničemu." Vezměte si, jakou spotřebu máte u spalovacího auta, pokud zapřáhnete obytný přívěs.

Velmi oblíbená hláška je, že se pořád vynořují nové zázračné baterie, a jaký je to půlom a pak skutek utek. Kde ty baterky, sakra jsou? Tady je potřeba poněkud zkorigovat vlastní myšlení a myšlení pánů novinářů, kteří rádi nafukují bubliny. Mnoho z oněch vylepšení, opakuji, jen evolučních vylepšení, až máte asi doma a ani o tom nevíte. Vývoj jde kupředu, ale poněkud méně bombasticky, než jak je to prezentováno naší žurnalististickou společností (to není výtka, dělám to taky, ulítlý nebo kontroverzní titulek vzbuzuje zvědavost a tím i čtivost).

Současnost s ohlédnutím do minulosti

Olověné akumulátory, které neměly prakticky po dobu asi jednoho sta let konkurenci (další typy byly velmi drahé nebo nepraktické a v podstatě šlo o okrajovou záležitost), mají hustotu energie 40Wh/kg sic! (75Wh/l) Cyklovatelnost se pohybuje mezi 500-800 cy. Ani moderní gelové akumulátory, které nepotřebují dolévat eletrolyt na tom nejsou nijak lépe.

Vývoj lithium iontového akumulátoru [1], který začal v 70. letech minulého století umožnil úplné zapouzdření, poměrně vysokou hustotu energie 120–270 Wh/kg (250–700 Wh/l) a tedy i přijatenou hmotnost a pracovní teplotu v širokém rozsahu běžných venkovních teplot. Cyklovatelnost se pohybuje v hodně širokém pásmu, řekněme 400-8000 cy. Po celou dobu vývoje prochází Li-ion akumulátory poměrně rychlým vývojem. Každé dva-tři roky dojde k nárůstu kapacity asi o 20% nebo dojde k nějakým jiným vylepšením (výdrž, odolnost ve větším teplotním intervalu...). Vedle Li-ion baterií se se začínají vyrábět akumulátory Na-ion [2], tedy na bázi sodíku. Je to z toho důvodu, že lithium je hůře dostupné než sodík, kterého je dostatek.

Rozdělení typů současných akumulátorů

Chěl bych předeslat, že se budu zabývat v tomto výčtu i těmi akumulátory, které se ještě nevyrábějí, ale dostaly se už alespoň do poloprovozní výroby nebo jsou jen ještě ve fázi výzkumu. Pokud uvádím nějaké parametry, je potřeba říci, že jsou jen orientační. Typy baterií se rychle vyvíjí a za rok, za dva, může být všechno jinak.

• Li-ion NMC - lithium, nikl, mangan, kobalt technologie umožňuje vysokou hustotu energie kolem až 270Wh/kg, rychlé nabíjení, vydrží asi 1500 cy, nesnáší přebíjení a hluboké vybíjení, při nižších teplotách klesá využitelná kapacita (energie tam pořád je, ale není k dispozici)
• Li-ion LFP - též LiFePO4, tedy lithium, železo, oxid fosforu technologie má nižší hustotu energie až kolem 170Wh/kg, nižší nároky na drahé kovy nově snáší i rychlé nabíjení, vydrží až 8000 cy, nevadí vyšší nabíjení a nižší vybíjení, je stabilní i při nízkých teplotách
• Li-S -lithium, sulphur akumulátor má vysokou hustotu energie asi 400-600Wh/kg, oproti starší technologii pracuje za pokojové teploty, cyklovatelnost není známá. Na této technologii pracuje několik pracovišť současně. Čína, Austrálie, USA, vyrábí se v malých objemech (Lyten) [3][4]
• Na-ion - sodíko iontové baterie, nevyžadují drahé kovy, jsou relativně levné, hustota energie se pohybuje kolem 170Wh/kg, cyklovatelnost kolem 3000cy, vyrábí je už řada výrobců [2][5]

Baterie se dále dělí na ty, které obsahují tekutý, polotekutý a pevný eletrolyt. Složení elektrolytu, anody i katody je poměrně rozdílné. Výrobci stále přicházejí s dalšími vylepšeními a inovacemi. Proto se  typy baterií liší se jak kapacitou, tak i výdrží a dalšími parametry,

Kromě těchto typů jsou rozpracované technologie Li-air [6] a Zn-air  [7], kde zatím nejsou známé ani parametry a ani použitelné aplikace. Teoretická hustota energie je velmi vysoká, vše je ještě v oblasti výzkumu.

Výrobci

Poněkud jsem váhal, zda se zabývat jednotlivými výrobci, ale vzpomněl jsem si na výrok jednoho inženýra, který mi po mé citaci něčeho o CATL sdělil, že se bude bavit o seriózních výrobcích, jako je Panasonic, LG ap. Nuže vězte, že tento neseriózní výrobce produkuje nejen asi 1/3 celkového objemu výroby, ale kromě toho je na špici vývoje bateriových celků pro automotive (BEV). Celkově obecně vede Čína [8], ostatní země za ní jen povlávají. Bohužel.

Kromě CATL, ja to čínská automobilka BYD, která si vyrábí vlastní baterie a až za nimi je LG (Jižní Korea), Panasonic (Japonsko) a další [9]. Za zmínku stojí nová továrna v Evropě Northvolt [10], která začíná produkovat kromě Li-ion i Na-ion baterie. Nemají takovou kapacitu jako čínské (CATL) a indické (KPIT) Na-ion, ale jsou levné na výrobu.

Využití

Boom výroby baterií byl samozřejmě zapříčiněný vysokou poptávkou po nich. Hlavně rychlý rozvoj elektromobility vytváří tlak na výrobce. K tomu je potřeba připočíst nutnost budovat dostatečně velká bateriová úložiště. Bohužel statistiky se dost liší v tom, jaké objemy baterií se vyrábějí, ale lze říci, že to bude v řádu 1TWh/rok, přičemž prognózy jsou, že trh poroste každý rok asi o 20% [11]. Když uvážíme, že baterie budou mít v průměru cyklovatelnost kolem 1000 cy, tak si lze snadno spočítat, že že roční kapacita výroby je schopná naakumulovat asi 1PWh. To je asi šestina roční produkce elektrické energie v Číně a asi polovina toho, co vyrábí ročně Indie.

Závěrem bych chtěl říci, že výzkum, vývoj a výroba baterií má našlápnuto velmi dobře a že se možná dočkáme i nějakých vyšších kapacit přesahujících 500Wh/kg při dostatečné výdrži v řádech tisíců cyklů. Významný milník je 1kWh/kg a pokud by se povedla baterie s kapacitou 3kWh/kg, tak se bateriové celky stávají jasným konkurentem i uhlovodíkových paliv i co se týče volumetrické a gravimetrické hustoty, protože využitelná energie v palivu obsažená je ve spalovacích motorech asi 1/3 (při účinnosti kolem 25-35%).

Uvidíme, co přinesou další roky. Je dost dobře možné, že se z oněch poměrně těžkých a nespolehlivých primadon postupně vyklube něco, co bude dobře a spolehlivě sloužit. Ať už to bude jakkoli, už teď je zřejmé, že má lidstvo v rukou poprvé široce použitelné úložiště elektrické energie, které výrazně mění pravidla nejen energetiky, ale i dopravy a bude mít zřejmě přesah v dalších odvětvích a aplikacích.

[1] Lithium iontový akumulátor

[2] Sodium ion battery

[3] Li-S Energy

[4] Lyten

[5] https://www.linkedin.com/pulse/comparision-sodium-ion-batteries-lithium-ion-current-status-tharad-7zshe/

[6] Li-air

[7] Zn-air

[8] Dominance Číny

[9] Top ten, výrobci

[10] Northvolt

[11] https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2023/trends-in-batteries