Proč a jak mohou baterie dále zlevňovat

Elektromobilita má několik velkých problémů. Hlavní je ovšem jeden: cena. Většina uživatelů se k elektromobilům nestaví až tolik odmítavě, a byť elektromobily nejsou v současné podobě vhodné pro každé použití, větší problém je, že si je každý nemůže rozhodně dovolit.

Co se s tím dá dělat? Hlavním část ceny nového elektromobilu tvoří baterie. Cena rozhodně není ani zdaleka tak nízká, aby elektromobily mohly v pořizovací ceně konkurovat cenům se spalovacím motorem. Vývoj musí dále pokračovat.

Tak jak na to?

Různé automobilky na to jdou různě. Informace z vývojových kancelářích automobilek i výrobců baterií máme samozřejmě kusé, ale něco víme, Například společnost General Motors, která se stala v posledních letech „černým koněm“ v závodu o obsazení trhu s elektromobily, spoléhá na „pytlíkové“ baterie.

Vedoucím na trhu je ovšem jednoznačně společnost Tesla. Ta má zřejmě nejlevnější baterie ze všech automobilek, navíc její cenový náskok zřejmě ještě nějakou dobu vydrží. Tesla přitom na rozdíl od GM se na první pohled drží tradiční technologie.

Články v bateriových souborech jejích modelů dodnes velmi nápadně připomínají tužkové baterie. První generace článků Tesly se tak nazývala 18650, protože měla rozměry 18 na 65 milimetrů (tužkové baterie AA mají 14,9 na 50 mm, tyto první baterie Tesly tedy nebyly o mnoho větší). Pak přišly větší 2170 (21 na 70 mm), které měly tedy zhruba o polovinu větší objem. V září 2020 pak Tesla oznámila přechod na větší články 4680, které už mají zhruba pětkrát vyšší kapacitu než původní články18650.

Vnější podoba ovšem trochu klame. Nový článek neobsahuje sice žádné zcela převratné a revoluční novinky, pokud ovšem můžeme věřit prezentaci ze září, představuje citelné vylepšení stávajících technologií. Takové, které může například elektromobily cenově velmi citelně přiblížit běžným vozům a otevřít bateriím i další nové trhy v celém sektoru skladování energie.

Tesla Model Y (kredit Tesla)
Tesla Model Y Tesla Model Y (kredit Tesla)

Bez tabů

Jedna novinka tkví ve způsobu odvodu a přívodu elektřiny ze samotného aktivního materiálu na póly baterie. To mají na starost v článcích malé vodivé prvky – anglicky nazývané „tabs“ – obvykle vyrobené z niklu, hliníku, případně mědi. „Tabs“ jsou jedním ze slabších míst baterie. Když se baterie rychle nabíjí či vybíjí, právě v těchto kovových prvcích vzniká velké množství tepla – což je pro lithiovou baterii samozřejmě velký problém.

Tesla si v květnu podala patent na baterie, které se bez těchto vodivých prvků mají zcela obejít (baterie s „tabless“ elektrodami). Změna by měla údajně výrazně zjednodušit výrobu. Umísťování a připevňování „tabů“ totiž podle Muska i Baglina výrazným způsobem zdržovalo výrobu článků. Proces není okamžitý, a tak se kvůli němu musí článek na své cestě linkou zastavit. Bez těchto prvků se údajně může linka pohybovat v podstatě kontinuálně. Můžeme si ji údajně představit jako například plnicí linku na nápoje.

Odstranění kovových prvků by také mělo údajně velmi výrazně snížit množství odpadního tepla, které vzniká při rychlém nabíjení baterií. Což v důsledku může vést k nabíjení většími proudy a tedy zkrácení zastávek na dobíjecích stanicích.

Samozřejmě to je spíše hypotetická úspora. Rychlost dobíjení do značné míry záleží na parametrech samotných nabíječek, které provozovatel z pochopitelných důvodů nemůže měnit každý rok. Doma také tak velkými proudy těžko bude někdo dobíjet. Rozhodně si ovšem dokážeme představit, že „tabless“ baterie by mohly mít vyšší životnost. Vyšší teploty bateriím rozhodně neprospívají.

Výroba lithiových článků na lince společnosti Panasonic (kredit Panasonic)
Výroba lithiových článků na lince společnosti Panasonic (kredit Panasonic)

Větší, lepší

Nový typ 4680 bude mít pozměněné například i elektrody. Jedna změna bude na tradičně uhlíkové anodě. Uhlík se pro anody používá, protože dobře vede proud, má ovšem poměrně malou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Naproti tomu například jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia.

Tato výhoda je dlouho známá a s křemíkem se hojně experimentovalo, bohužel má i nepříjemné vlastnosti. Významnou je, že po pohlcení elektronů „bobtná“ – velmi výrazně se změní jeho objem, a to několikanásobně (řekněme 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.

Přesto se v anodách křemík už používá, a nejen u Tesly. Je to totiž jeden z nejnadějnějších způsobů, jak kapacitu baterií zvýšit. Ovšem v současných anodách je křemíku málo, řádově jednotky procent z celkového objemu. Příměs je tak malá, že nárůst objemu není velký problém a zvýšení kapacity o několik procent za něj stojí.

Na Battery Day zaznělo, že množství křemíku by se mělo zvýšit několikanásobně, aby se dojezd při zachování objemu baterie zvýšil cca o 20 procent. Problém s „bobtnáním“ chce Tesla vyřešit tak, že baterie nebude znovu čistě křemíková – bude obsahovat i elastické materiály, které se mohou zmenšit tak, aby se kompenzovalo zvětšování křemíku v anodě. Jak vidno, v tomto ohledu je ještě co zlepšovat.

Změny by se měly dotknout i druhé elektrody, tedy katody (poznámka bokem: v dobíjecích bateriích se samozřejmě role elektrod mění podle toho, zda se nabíjí, či vybíjí, ale pro zjednodušení se jako anoda obvykle označuje elektroda, na které během vybíjení dochází k oxidaci). V první řadě Tesla potvrdila, že se pokusí zbavit kobaltu v bateriích.

Jak již asi víte, kobalt se používá v katodě baterií, obvykle v kombinaci s niklem a manganem v podobě materiálu známého jako NMC. Kobalt je z těchto materiálu nejdražší, navíc je dnes jeho produkce vázána na problematickou těžbu v Kongu.

I proto se většina výrobců snaží kobaltu zcela zbavit. V minulosti byly v NMC ve stejném poměru 1 : 1 : 1 nikl, mangan a kobalt. V nových bateriích ovšem tvoří velkou část materiálu pouze nikl (někdy téměř 90 procent) a kobaltu je cca 5 procent. Tesla tedy znovu není jediná, je v podstatě ilustrací obecného trendu, který by měl zjednodušit a zlevnit výrobu baterií obecně. Tesla možná bude, možná nebude první, důležité je, že vývoj pokračuje. V roce 2021 by mělo být vyrobeno cca 10 GWh těchto baterií, tak uvidíme, jaké informace od výrobce dostaneme – a jaké uniknou.

Model článku 4680 společnosti Tesla
Model článku 4680 společnosti Tesla (kredit Reddit user u/Bimmer3389)

Za sucha to stále nejde

Součástí linky nebude evidentně další technologie, od které si fanoušci hodně slibují. Tesla totiž zhruba v květnu 2019 dokončila koupi firmy Maxwell Technologies. Ta si dala mimo jiné za cíl radikálně zjednodušit jeden ze složitých kroků ve výrobě baterií a vyrábět elektrody „za sucha“.

Dnes se vstupní materiály pro obě elektrody nejprve musí rozpustit, pak lisovat a vysušit. Celý proces nejen výrobu zdržuje, ale také zdražuje, už kvůli nákladům na energie a nutné vybavení.

Maxwell Technologies přišly s demonstrací procesu výroby za sucha, který by se měl bez těchto kroků obejít. Po jeho dotažení do výroby by se obě elektrody měly velmi jednoduše lisovat za sucha a nízkých teplot do požadované podoby tenkého filmu.

Jak ovšem potvrdili Musk a Baglin, zatím jsou k dispozici pouze první prototypy technologie ve velmi malém, v podstatě laboratorním měřítku. Do výroby má tedy proces ještě opravdu daleko a nedá se předpokládat, že by Tesla tuto technologii dokázala dotáhnout do praxe během tří let, jak to slibuje u většiny ostatních „zlepšováků“, které na Battery Day prezentovala.

Nejlepší ve výrobě

Všechna dílčí zlepšení mají jeden hlavní cíl: výrazně zjednodušit, zrychlit a tedy i zlevnit výrobu baterií ve velkém. Tesla, která sází na to, že investory naláká na velké cíle, tak především dala najevo, že hodlá ve výrobě baterií přejít na kvantitaivně novou úroveň.

Firma si dala za cíl vyrobit ročně baterie s celkovou kapacitou od 10 do 20 terawatthodin. Celková roční výrobní kapacita je dnes o dva řády nižší, pohybuje se zřejmě někde v pásmu nad 300 GWh ročně. Rekordní Gigafactory v Nevadě, která ještě není dostavěna, je koncipována na výrobu kolem 150 GWh za rok.

Jak zvýšit výrobu řádově stokrát? Tesla má dva recepty. Stejně jako řada jiných firem samozřejmě chystá stavbu dalších továren na baterie. Ale zároveň tvrdí, že „zlepšováky“ představené v rámci Battery Day mohou velmi výrazně zvýšit výrobu v již stojících továrnách. Kontinuální výroba jednodušších baterií, které pojmou více energie, může údajně zvýšit produkci z jedné linky zhruba sedminásobně.

Toto číslo je nutné brát s rezervou, protože máme k dispozici pouze nablýskanou prezentaci a „tvrdá data“ jsou předmětem obchodního tajemství. Podle odhadů agentury Bloomberg se ceny baterií (kompletních baterií, ne pouze článků) pohybují někde kolem 150 dolarů za kilowatthodinu. Na Battery Day se hovořilo o tom, že zavedení představených novinek by mělo cenu snížit zhruba o něco více než 50 procent.

Pokud by tomu tak bylo, cena by se měla poměrně spolehlivě dostat pod bedlivě sledovanou hranici 100 dolarů za kilowatthodinu. Zhruba na ní by se přitom elektrické vozy mohly v pořizovací ceně začít rovnat vozům se spalovacím motorem. Tedy zhruba na úrovni nového modelu Tesly, jehož existenci Musk v prezentaci potvrdil

Související články

Vložit komentář...