Co je nového ve vývoji baterií v roce 2025

Před několika lety jsem se vyjádřil, že rok 2025 bude pro baterie přelomový a že se nové typy baterií dostanou do komerční výroby asi za dva roky. Některé baterie se ale dostávají do výroby už začátkem roku 2026.

Zjednodušeně řečeno, trh s bateriemi se vyprofiloval do tří, čtyř hlavních směrů. LiNMC, LiFePO, Li-S, Na-ion.

Současně napříč těmito technologiemi se pracuje na bateriích s pevným elektrolytem SE – Solid (State) Electrolyte a na technologii označované jako AF – Anode Free (volná anoda), nebo lépe SFA – Self Forming Anode (samovolně se formující anoda). Tyto technologické koncepty mohou být aplikované na kterýkoli výše uvedený typ baterií.

Tabulka zobrazující už známé aplikace technologických kombinací (Tab1)*

Typ baterie		Produkce	Elektrolyt
LiNMC	✅	produkce	tekutý
LiNMC/SE	✅	prototyp/produkce	pevný
LiNMC/SFA	✅	prototyp/produkce	tekutý/pevný
LiNMC/LLZO	✅	prototyp/produkce	semi pevný
LiFePO	✅	produkce	tekutý
LiFePO/SE	❌	vývoj	pevný
LiFePO4/SFA	✅	produkce	tekutý
Li-S	✅	prototyp	tekutý
Li-S/SE	✅	prototyp/produkce	semi pevný
Li-S/SFA	⚠️	vývoj/prototyp	tekutý
Na-ion	✅	produkce	tekutý
Na-ion/SFA	✅	produkce	tekutý

* Ikony:✅ Prototyp/Výroba, ❌ Není prototyp, ⚠️ Pokročilý vývoj

Tabulka parametrů vyráběných baterií pro automotive a BESS (Tab2)

Typ baterie/anoda	Výrobce	Gravim. hustota (Wh/kg)	Volum. hustota (Wh/L)	Cykly do 80% degradace	Nabíjení /Vybíjení (C-rate)	Rok uvedení
Li-NMC/grafit	CATL, LG...	250-270	590-750	1000-3000	3C/5C	~2020
Li-NMC/SFA	CATL	350-400	>1k	3000-4000	8C/12C	2026
LiNMC/SE	Farasis Energy	400–500	800-1k	>1000*	>3C	2025
LiMNC/SE	Factorial Energy	375–450	748–770	>2000	4C/4C	2026
LiNMC/SE	Toyota	400–500	>1k	>2000	6C/8C	2025**
LiNMC/LLZO	Quantum Scape	300–400	800	>1000	>3C	2025
Li-S	Li-S Energy	300-450	400-550	>800	5C/3C	~2026
Li-S	Zeta Energy	300-400	700-800	>2000	6C/6C	2025
Li-S/SE	Lyten	500	1k	>500	2C/4C	2025
Li-S/SFA	CATL	>600	1k	>1000	12C/5C	2025**
LiFePO/grafit	CATL, BYD...	170-180	420-460	5000-8000	4C/10C	~2000
LiFePO/SFA	CATL	240-270	680–780	>10 000	12C/12C	2025
Na-ion/carbon	CATL	160	300–400 (odhad)	4000	2C/3C (odhad)	2023
Na-ion/SFA	CATL (Naxtra)	175	400–600 (odhad)	>10 000	5C/5C	2026

* Označení větší než > udává, že zatím nebyly provedené dostečné testy na zjištění skutečné životnosti. Testy jsou dlouhodobé a většinou, pokud po 1000 cy neklesne kapacita pod 90-95%, výrobci protoypů uvádí tuto hodnotu.

** Uvádím rok výroby prototypu, pokud nebyl stanoven termín produkce.

Asi největší pokrok se uskutečnil při vývoji dalších typů LiFePO4 (LiFePO, LFP). Daří se postupně zvyšovat energetickou hustotu, která se dostala na úroveň LiNMC před řekněme asi tak 5 roky, ale hlavně se daří zvyšovat tvanlivost. Podařilo se minimalizovat počáteční pokles kapacity. Rychlost degradace u hybridních LiFePO/SFA článků je minimální, přičemž u pokročilých LiFePO článků využívajících předběžnou lithiaci (např. stabilní tvorba SEI – Solid Electrolyte Interphase) se v prvních 1000 cyklech degradace neprojeví; celkově je degradace za optimálních podmínek (nabíjení 20–80 % SoC⁺, při optimální teplotě) typicky <10 % po 5000 cyklech, a to díky samoadaptivní vrstvě SFA, která snižuje nevratné ztráty lithia parazitními elektrochemickými reakcemi a tvorbu dendritů. Tradiční LFP degraduje po 3000–5000 cyklech ~5–10 %, ale při použití SFA by se míra degradace měla výrazně snížit a to i při větší gravimetrické hustotě (asi +50%). Vyšší hustota energie je daná tím, že SFA technologie umožňuje zmenšení anody na minimum. [3][4]

Čínská Farasis Energy přichází s první generací baterií a lithium sulfidového solid state ektrolytu (pevný, bez potřeby separátoru) do malosériové výroby. Ve vývoji LiNMC/SE je již druhá i třetí generace. Farasis Energy zřejmě provádí paralelní výzkum několika směry a nezaměřuje se tedy přimárně jen na jeden vývojový směr. Třetí generace, se zdá být slibnější. Nahrazuje silikonovou anodu lithiem (free anode) a vypadá to, že baterie bude mít stejnou hustotu energie jako první generace, životnost >4000 cy při zachování 90% kapacity a přibližně podobnou rychlost nabíjení a vybíjení. [10]

Factorial Energy je americká firma, která má pokročilý vývoj SSB. Dokládá to spolupráce jak s automoblovým uskupením Stellantis, tak i s automobilkou Mercedes Benz. Oba výrobci testují baterie ve svých BEV. Intelektuální obsah Factorialu stojí na materiálových kompozicích sulfid/halogenovývh pevných elektrolytech a jejich mikrostruktuře, anoda je free a katoda je suchá nespékaná (dry‑coating) LiNMC.

Japonská Toyota po letech přešlapování konečně předvedla prototypy svojí solid state baterie. Vypadá to, že se dočkáme výsledků. Elektrolyt je tvořený sulfidovými sloučeninami, Li₁₀GeP₂S₁₂ nebo Li₂S-P₂S₅. Protože je pevný, nevyžaduje separátor, anoda je free, tvoří jí čistý Li (tloušťka 5–20 µm), katoda je sintrovaná LiNMC.

Americká Quantum Scape má řešení na bázi semi pevného elektrolytu s SFA (volná, free) anodou. LiNMC/LLZO (QSE-5) má trochu horší parametry, než současná čínská Farasis Energy, separátor je založený na keramické sloučenině oxidu lithia, lanthanu a zirkonu (má blízko k nerostu granátu). Keramický separátor o tloušťce 5-20µm vytváří prostupné rozhraní pro gelový elektrotyt.

Jakkoli, baterie s pevným elektrolytem už jsou tu taky. Cílem výrobců baterií s LiNMC/SE (Farasis Energy, Quantum Scape...) je dosáhnout cenové parity se současnými Li-ion bateriemi do pěti let. [11]

Sodíkové baterie obecně ještě ani nepronikly do obecného povědomí, ale CATL už má druhou generaci pojmenovanou Naxtra. Jde opět o Na-ion/SFA, tedy baterii s volnou anodou, která má jen mírně zvýšenou gravimetrickou hustotu (+10%) oproti první generaci, ale výrazně vyšší trvanlivost při poměrně vysokých výkonech při nabíjení a vysokou odolnost při velkém rozsahu teploty (-40°C, +70°C). Přičemž při -40˚C dojde k dočasné ztrátě nabíjecí kapacity jen asi o 10% a pořád je baterie schopná se nabíjet vysokou rychlostí kolem 5C a to i ve fázi vysokého nabití kolem 90%. To tuto baterii činí jasným favoritem do oblastí s kriticky nižšími, ale i vyššími teplotami a to bez ohledu na to, zda půjde o mobilní (BEV), nebo stacionární (BESS) aplikaci. [5][6][7]

Typem baterie, který může hodně překvapit, zůstává už několik let baterie lithium sulfur (Li-S). Síra je běžný nerost, který je ale poměrně měkký a má tendenci, podobně jako uhlík nebo křemík vytvářet delší řetězce. To představuje podobnou výzvu, jakou je růst dendritů (shuttle efect). Lithium-sulfur (Li-S) baterie jsou slibnou technologií s vysokou teoretickou kapacitou díky síře na katodě. Teoretická gravimetrická hustota (GD⁺⁺) energie na katodě může být až 2600 Wh/kg, reálná GD se může pohybovat kolem 1870 Wh/kg, ale poloprovozní hodnoty jsou zatím jen >600Wh/kg kvůli polysulfidovému shuttle efektu, degradaci síry v elektrolytu a dendritům na anodě. V roce 2025 jsou Li-S baterie v pokročilém stadiu vývoje (prototypy a pilotní výroba), s pokroky v životnosti a kapacitě díky novým materiálům (např. grafenové katody, free anode, solid-state elektrolyty). Běžně dosahované hodnoty energetické hustoty jsou uvedené v tabulce, cyklovatelnost se pohybuje od 500-2000 cy při udržení 80% kapacity. [8][9][2]

Americký Lyten vyvíjí lithium-sirné (Li-S) baterie, které mají lithium-metalovou anodu s kompozitní ochranou (3D grafenová vrstva proti dendritům). Katoda je tvořena ze 60–70 % hmotnosti sírou impregnovanou v 3D grafenové matici (z metanu, bez kritických minerálů jako Ni, Co, Mn) pro potlačení shuttle efektu. Elektrolyt je semi pevný/gelový bez separátoru. Pro Lyten platí přesně to, co píšu o Li-S obecně, jsou zde velká očekávání, ale může přijít i zklamání. Nízká cyklovatelnost i přes malosériovou výrobu zatím neumožňuje, aby se baterie stala běžně použitelnou.

Americká Zeta Energy, která je asi nejblíže k běžné výrobě Li-S, produkuje baterie, které se hodí jak do automotive, tak i do BESS. Baterie má poměrně vysokou cyklovatelnost >2000 hlubokých cyklů (při 100% Depth of Discharge⁺⁺⁺, DOD), vysokou hustotu energie 450Wh/kg (ve srovnání s Li-ion) a velkou tepelnou odolnost (-30°C, +60 °C). Anoda je tvořena karbonovými nanotrubicemi (3D struktura) na jejichž povrchu se ukládá lithium. To zabraňuje tvorbě dendritů a zároveň zajišťuje velkou plochu pro ukládání. Katoda je tvořena sulfidovám karbonem tvořeným obecně sloučeninou CxSy. Zeta Energy drží patenty jak pro růst kolmých nanotrubic na anodě, tak i na katodový materiál. [12]

Je škoda, že naši vědci se tomuto odvětví věnují v tak malé míře. Nenašel jsem příliš odkazů a to ani v primárním výzkumu a jen tři, čtyři vědci jsou k nalezení, že se tomuto výzkumu věnují na úrovni, která zasluhuje mezinárodní pozornost. Radek Zbořil, profesor fyzikální chemie, vedoucí MEL (Materials & Environmental Laboratory) CNT/CEET VŠB-TUO Ostrava (nanomateriály, 80 tis. citací). Martin Pumera VŠCHT (Li-ion, Na-ion, Li-S, přes 50 tis. citací), Michal Otyepka, profesor, Univerzita Palackého v Olomouci, CATRIN (Li-S, 35 tis. citací), Stanislav Daniš, Fakulta matematiky a fyziky Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem – UJEP (Li-ion, Li-SSB, Ni-MOF (superkapacitory)), Tomáš Wagner, Ústav fyzikální chemie AV ČR J. Heyrovského (Li-ion).

Aplikovaný výzkum je na tom podobně. Opět je často citovaný Martin Pumera, tentokrát už CEITEC BUT Brno, Tomáš Kazda, FEKT VUT Brno, Kamil Jaššo, FEKT VUT Brno.

Pokud by výzkum v ČR přinesl něco zásadního, nebo dokonce byl výstup v podobě prototypu, otevřela by se cesta pro zcela nové odvětví, které by naší zemi přineslo i nemalé materiální výhody.

Z hlediska ekologie je SFA technologie, tím že umožňuje zmenšení anody na minimum a zvýšení hustoty energie, mnohem šetrnější. Vede k menší materiálové náročnosti, celkem logicky asi o 50%. Výsledkem je menší spotřeba energie, vody, surovin a z toho plynoucí menší ekologická zátěž jak při těžbě, tak i při recyklaci. Ekologičtější jsou i elektrolyty. [7]

Na-ion baterie jsou zase ekologicky šetrnější z toho pohledu, že nevyžadují lithium, ale tato výhoda je vyvážená nevýhodou větší materiálové náročnosti. CATL slibuje, že se mu při velkém rozsahu podaří snížit výrobní cenu Li-ion baterií na $20/kWh (současné LiFePO baterie mají výrobní cenu kolem $40/kWh).

Li-S baterie by naopak mohly vyvážit svůj složitý výrobní postup tím, že materiálová náročnost je oproti jiným typům, vzhledem k vysoké hustotě energie malá a nevyžadují drahé nebo méně dostupné suroviny. Výroci slibují až o polovinu nižší ceny při plné produkci než LiMNC.

Největším přinosem v oblasti ekologie a to zcela zásadním je, že baterie jsou schopné stabilizovat síť a tím vlastně relativně zvýšit její propustnost a vytvořit z měkkých nestabilních zdrojů zdroje stabilní a tvrdé, které mohou zcela nahradit točivé stroje založené často na fosilních zdrojích energie. Možnost téměř beze zbytku baterie recyklovat zapadá do konceptu cirkulární ekonomiky, která je založena na omezování využívání primárních zdrojů a na maximální míře recyklace.

Je potřeba dodat, že baterie s gravimetrickou kapacitou kolem 2-3kWh/kg by deklasovala spalovací auta i co se týče hmotnosti. Pohonné ústrojí spalovacích motorů je velké a těžké. Taková baterie by učinila současné BEV lehčími, než jsou ICV ve stejné kategorii a tato meta, jakkoli jsme se k ní ani nepřiblížili, není teoreticky nedosažitelná. Pokrok ve vývoji nových baterií dokládá, že elektrochemická reakce baterie je natolik komplexní jev, že nevylučuje další významná zlepšení jak v hustotě energie, tak i v životnosti a rychlosti nabíjení.

Disclaimer: Autor si vyhrazuje právo na chyby. Překotný vývoj spolu s pochopitelným utajováním s sebou přináší vyšší nároky na vyhledávání alespoň rámcově správných údajů.

+ SoC, State of Charge je základní metrika, která vyjadřuje aktuální množství energie uložené v baterii jako procento její celkové (maximální) kapacity.

++ GDE, Gravimetric density of energy (často nesprávně zkrácená jako GD, nebo SP jako Specific gravimetric energy) je klíčový parametr, který udává, kolik energie je baterie schopna uložit na jednotku její hmotnosti.

+++ Termín 100% DOD (z anglického Depth of Discharge, česky hloubka vybití) znamená, že baterie byla vybita na maximum své užitečné kapacity při dodržení ninimálního a maximálního napětí udávaného výrobcem. Obecně se vybíjení do 100% DOD nedopručuje dělat často, ale liší se to opět podle typu baterie.

Poděkování vyhledávači GoogleGoogle Docs AI Grok AI Chat GPT AI Canva za pomoc při vyhledávání údajů a generovaní obrázků. Zvláštní poděkování AI Grok, Perplexity a ChatGPT za intelektuální schopnosti při řešení otázek i za jejich omyly; a současně jedna důležitá připomínka. Pořád platí dvakrát měř. Všechno si ověřujte i u zdroje, nespoléhejte slepě na AI. Je kreativní už jako člověk. Pokud neví, něco si vymyslí.

[1] CATL LiNMC batteries

[2] Rising Anode-Free Lithium-Sulfur batteries

[3] CATL Technological innovations

[4] CATL launches new EV LFP battery cells

[5] Naxtra Battery Breakthrough

[6] CATL’s Naxtra sodium-ion battery passes new national safety standards

[7] 5 Key Takeaways From CATL’s Naxtra Sodium-Ion Battery Launch

[8] Advances in lithium‑sulfur batteries for commercialization

[9] Fast-Charging Lithium–Sulfur Batteries

[10] Éra „jedné baterie pro všechny“...

[11] Quantum Scape

[12] Zeta Energy