O tom, že automatizace a robotizace bude znamenat velký přínos také v oblasti výroby a montáže baterií pro elektromobily, asi není nikoho nutné příliš přesvědčovat. Děje se tak již i v oblasti nákladních elektrických vozidel, jak aktuálně demonstruje švédská automobilka Scania.

Tato automobilka za tímto účelem uzavřela spolupráci s výrobcem robotických a automatizačních řešení, švýcarsko-švédskou společností ABB, která by Scanii do jejího zbrusu nového závodu měla dodat komplexní řadu robotů. Nový závod by podle slov švédské automobilky měl být milníkem na cestě k elektrifikaci těžkých vozidel. Společnost do něj v průběhu několika příštích let hodlá investovat více než jednu miliardu švédských korun, tedy téměř 2,5 miliardy Kč. Nový závod v Södertälje by měl být uveden do plného provozu v roce 2023.

„Jsme potěšeni, že můžeme spolupracovat s jedním z našich dlouholetých zákazníků a pomoci mu realizovat jeho plán elektrifikace,“ komentoval dění Jörg Reger, výkonný ředitel divize ABB Robotics pro automobilový průmysl. „Automobilový průmysl byl vždy na špici v oblasti automatizace. S přechodem na elektrifikaci však čelí rozsáhlým změnám zavedených výrobních procesů. Díky našim odborným znalostem navrhneme a pomůžeme zajistit flexibilitu výroby, která je pro lídry trhu, jako je Scania, při realizaci této změny zásadní,“ dodal.

Upevnit pozici

Podle vedoucího montáže baterií společnosti Scania Tonyho Perssona je továrna navržena v souladu se záměrem firmy být v čele průmyslové digitalizace, automatizace a využívání pokročilých robotických technologií. Továrna by měla být také investicí, která upevní pozici Švédska jako centra špičkových technologií, které jsou v elektrifikaci těžkých vozidel zásadní při přechodu na udržitelnou dopravu.

Nový závod se bude rozkládat na ploše 18 000 m2, hned vedle závodu na montáž podvozků ve městě Södertälje. Vysoká míra automatizace se přitom nebude týkat pouze montáže, ale například také příjmu zboží nebo jeho expedice. Bateriové moduly budou kompletovány z článků od další švédské společnosti Norvolth, o které jsme již také psali. Hotové bateriové sestavy budou dodávány přímo do montážní haly vozidel. Proces montáže budou zajišťovat roboty doplněné o řadu dalších řídicích automatizačních systémů.

Rychlost a vysoký výkon

Malý robot ABB IRB 390 přitom bude použit v závodě na výrobu baterií vůbec poprvé. Původně byl navržen pro obalový průmysl a k jeho hlavním přednostem patří rychlost a vysoký výkon. Díky tomu lze namontovat kontaktní desky do baterií rychlostí jedné desky za sekundu, 24 hodin denně. Simulační a programovací software RobotStudio navíc umožňuje simulovat kompletní montážní proces, což ve výsledku výrazně zkrátí dodací lhůty a zaručí vysokou kvalitu realizace celého procesu. Dodejme, že i zmíněná, nedávno zprovozněná továrna na lithium-iontové baterie společnosti Northvolt, která patří k největším svého druhu v Evropě, vznikla ve spolupráci se společností ABB, a disponuje tudíž také velmi pokročilou automatizační technikou.

Scania v roce 2015 zahájila sériovou výrobu hybridních autobusů. O čtyři roky později, v roce 2019, byla uvedena na trh první řada plně elektrických autobusů této značky. Poté následovalo představení plug-in hybridního nákladního vozidla Scania a plně elektrického nákladního vozidla. Sériová výroba elektrického nákladního vozu byla zahájena v roce 2021.

S důrazem na vlastní výzkum

Scania má od loňského roku v Södertälje rovněž novou bateriovou laboratoř. Ve třech testovacích halách o celkové rozloze 250 metrů čtverečních se vyvíjejí a zkoušejí nové bateriové články, moduly i celé sady. V sousedství těchto hal má laboratoř také zázemí pro přípravu zkušebních vzorků.

Laboratoř se zaměří především na hodnocení výkonu a životnosti baterie v různých klimatických podmínkách v rozpětí od -40 °C do 70 °C. Cílem je například stanovení optimálních provozních podmínek pro daný typ baterie s ohledem na teploty, za nichž je používána, obvyklý způsob jejího nabíjení a podobně.

Nová laboratoř doplnila menší zařízení s klimatickou testovací komorou, která byla uvedena do provozu o několik měsíců dříve. Pomocí této laboratoře může Scania testovat výkon bateriových sad na plně funkčních elektrických nákladních vozidlech a autobusech bez vyjímání baterií. Vozidla jsou zaparkována vedle laboratoře a připojena k testovacímu zařízení.

„Se zrychlujícím se tempem vývoje posílí nová laboratoř naši kapacitu mít správné velikosti baterií pro každou aplikaci,“ říká Claes Erixon, vedoucí výzkumu a vývoje ve společnosti Scania. „Máme před sebou ambiciózní plán každoročního uvádění nových a aktualizovaných elektrických produktů s odpovídajícími bateriovými službami. To na nás klade nároky mít prvotřídní dovednosti a znalosti v oblasti používání baterií a optimalizace životního cyklu. Scania bude i nadále investovat do zkvalitňování kompetencí jak v našich vlastních provozech, tak i v rámci důležitých partnerství. Zajistíme, aby Södertälje a region Stockholmu zůstaly na čele výzkumu a vývoje i v elektrifikované budoucnosti těžké dopravy,“ dodává Erixon.

Vznik požáru v garáži či jiném podobně uzavřeném prostoru může znamenat problémy s jeho uhašením. Pokud se navíc jedná o garáž bytového domu, instituce či firmy, hrozí, že plameny zasáhnou větší množství vozidel. Někteří vlastníci či správci těchto garáží proto usilují o omezení vjezdu elektromobilů či plug-in hybridů, jejichž případné hašení může být kvůli bateriím složitější.

Pokud ke vznícení ohně v těchto prostorech dojde, musejí se hasiči často vypořádat s komplikovaným přístupem, kdy ztratí drahocenný čas. Příčin vzniku takového požáru přitom může být celá řada – od nevhodného rozdělávání otevřeného ohně uvnitř garáže, přes kutilské práce, které mohou způsobovat jiskry, závady na různých elektrických zařízeních, která se v garáži nachází, až po technické závady automobilů.

Chybějí předpisy

Nový aspekt z hlediska rizika vzniku požáru představují elektromobily a plug-in hybridní vozy. V Česku se totiž v poslední době objevují zejména u podzemních garáží bytových domů případy, kdy je vjezd těmto typům vozidel, podobně jako těm poháněných plynem, omezen. Společenství vlastníků jednotek či jiní vlastníci bytů to zdůvodňují tím, že pro provoz elektromobilů v podzemních garážích nejsou dosud stanoveny závazné požární předpisy.

„Pravidla pro vozidla s elektrickým pohonem zatím nejsou jednoznačně právně ukotvena. Hasičský záchranný sbor ČR má zpracovány postupy odrážející současné zkušenosti s požáry elektromobilů a průběžně je aktualizujeme,“ uvedl k této věci náměstek generálního ředitele Hasičského záchranného sboru ČR Daniel Miklós. Problém může představovat také výrazně složitější likvidace případného požáru ve srovnání s autem se spalovacím motorem, obzvláště v případech, kdy začne hořet baterie elektromobilu či hybridního vozu. Při takových požárech pak hasiči řeší především nebezpečí vyššího vývinu toxických plynů a škodlivin. „Dále větší zakouření prostoru a únik chemických látek do prostředí. Velmi specifickým prvkem je vysoké riziko exploze baterií či zejména opětovné hoření po uhašení. Proto je důležité zejména u elektromobilů permanentní ochlazování baterií,“ doplnil Daniel Miklós.

Hoří jen výjimečně

Podle něj však k hasičským zásahům z důvodu požáru elektromobilů dochází v současné době výjimečně. Poměrně vzácným jevem jsou také požáry všech druhů automobilů v garážích. Statistiky Hasičského záchranného sboru ČR evidují za poslední roky okolo 10 takových událostí ročně, k mírnému výkyvu došlo pouze v roce 2020, kdy bylo 16 těchto událostí.

Nebezpečí vzniku požáru elektromobilu či plug-in hybridu však není všemi vnímáno stejně. „Při požáru automobilu se spalovacím motorem velmi často vyteče uhlovodíkové palivo z nádrže a způsobí požár i vedle stojících vozů. Naopak pokud se i přes opravdu minimální pravděpodobnost vznítí baterie u elektromobilu, požár je zpravidla pouze lokální. Obecně k požárům elektromobilů dochází podle statistiky vztažené na počet ujetých kilometrů řádově méně často, a proto bych lidem doporučil, že pokud nemají problémy s požáry spalovacích vozů, elektromobilů se bát nemusí vůbec,“ uvedl předseda Asociace pro elektromobilitu České republiky Jaromír Vegr.

Obecně se zároveň zatím neobjevily žádné statistiky, zda jsou k požárům náchylnější elektromobily či klasické vozy se spalovacími motory. Podle Petra Baxanta z Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT je vysoce pravděpodobné, že elektromobily budou vybaveny mnohem sofistikovanější diagnostikou než většina dnes provozovaných vozidel se spalovacím motorem. „Takže pokud lidé připustili určitou míru rizika u spalovacích aut, pak míra rizika požáru u elektromobilů se sníží minimálně o řád a nejspíš to bude časem i více. Tedy obavy z požárů jsou zcela liché,“ dodal Petr Baxant.

Poradenská společnost IDTechEx učinila prognózu toho, jak budou ve světě v příštích letech přibývat vysloužilé baterie z elektromobilů. Jestliže v roce 2020 dosloužily v elektromobilech baterie o celkové hmotnosti zhruba 100 000 tun a kapacitě kolem 14 GWh, v roce 2030 by tato kapacita již měla celosvětově přesáhnout 275 GWh. Je tedy zřejmé, že trh s použitými bateriemi v příštích letech raketově poroste: podle zmíněné studie by objem jeho položek měl již brzy mít hodnotu v řádu desítek miliard dolarů.

Vedle projektů zaměřených na recyklaci baterií – o některých jsme již také psali – se některé společnosti pustily do „oživování“ vysloužilých baterií v jiných aplikacích. Je totiž vcelku dobře známo, že baterie mají na konci své elektromobilní životnosti zbytkovou kapacitu přes 80 procent, takže teoreticky by měly být dobře použitelné ve stacionárních bateriových systémech určených ke skladování elektřiny. V této své nové roli pak mohou sloužit třeba až deset let.

Nově se k tomuto trendu, který již má i speciální označení – Second Life Battery Technologies – připojila také německá energetická společnost RWE, která ve spolupráci s automobilkou Audi nedávno uvedla do provozu pilotní projekt bateriového úložiště o kapacitě 4,5 MWh. To se skládá z 60 lithium-iontových vysloužilých baterií z elektromobilů Audi e-tron. Tento bateriový systém je nyní testován jako dočasné úložiště v přečerpávací vodní elektrárně Koepchenwerk nacházející se v Severním Porýní – Vestfálsku poblíž městečka Herdecke.

Další „second-life“ úložiště jsou v plánu

„Výkonné bateriové systémy jsou pro energetickou transformaci nezbytné. V Herdecke spolupracujeme s automobilkou Audi na testování způsobů, jak používat vyřazené vysokonapěťové baterie z elektromobilů, když je vzájemně propojíme. Další použití těchto baterií tak může být dobrou a udržitelnou alternativou k bateriím novým. Zkušenosti z tohoto projektu nám pomohou identifikovat aplikace, v nichž můžeme tyto bateriové systémy používat nejefektivněji,“ popsal základní záměr projektu Roger Miesen, který je generálním ředitelem společnosti RWE Generation.

Bateriový systém byl uveden do provozu po relativně krátkých přípravných pracích loni v listopadu. RWE předpokládá, že kapacitu úložiště začne komerčně využívat počátkem letošního roku, zpočátku s cílem pomoci udržet stabilní frekvenci v elektrické síti. Následně plánuje „flexibilní testování dalších marketingových metod“.

RWE předpokládá, že úložný bateriový systém v Herdecke jí poskytne dostatek poznatků, na jejichž základě bude možné z vysloužilých baterií vybudovat ještě větší úložiště. Mělo by přitom jít o technicky inovativní systém, ve kterém jsou páry modulů zapojeny do série, díky čemuž se zvýší provozní napětí a sníží náklady. Podle RWE trh s bateriemi „druhého života“ dosáhne v Evropě do roku 2030 kapacity 8 GWh, do roku 2035 by mělo jít až o 76 GWh.

RWE má již s bateriovými úložišti bohaté zkušenosti a v současné době realizuje řadu nových bateriových projektů v USA, Německu a Irsku, včetně instalací redoxních průtokových baterií a bateriových skladovacích systémů s virtuálním připojením k vodním elektrárnám. Do roku 2030 společnost počítá se zvýšením své úložné kapacity ze současných 600 MW na 3 GW.

Od Nissanu pro železnici

S jiným nápadem, jak zužitkovat staré baterie z elektromobilů, přišli Japonci. Ti začali akumulátory z elektrických vozidel Nissan LEAF používat na železničních přejezdech. V rámci pilotního projektu společnosti East Japan Railway Company (JR Higashi-Nihon), která je jedním z tamních předních železničních přepravců, se nyní tyto baterie testují jako alternativa k olověným bateriím v nouzových napájecích jednotkách.

Jednotky nouzového napájení, upravené pro tento účel partnerem Nissanu, společností 4R Energy Corporation, jsou instalovány na každém železničním přejezdu, aby tak byla zajištěna jejich bezchybná funkce a permanentní bezpečnost provozu, tedy například i v době údržbářských prací nebo při výpadcích proudu.

Vysloužilé baterie z elektromobilů Nissan LEAF se v současné době testují coby záložní zdroje na japonských železničních přejezdech (Foto: Nissan)

Testování začalo loni v lednu na železničním přejezdu ležícím na trati Jōban v prefektuře Fukušima. Podle Kaita Točihary ze střediska výzkumu a vývoje East Japan Railway Company dosavadní testy již ukazují, že přechod z olověných akumulátorů na přepracované lithium-iontové baterie nejenže podporuje udržitelnost, ale vede také ke zlepšení výkonu samotné baterie. Ve srovnání s olověnými bateriemi totiž stačí k nabití lithium-iontových pouze třetina doby. Tyto baterie jsou také trvanlivější, vydrží v průměru 10 let, olověné obvykle pouze 3 až 7 let.

Další podstatný rozdíl je v údržbě. Olověné baterie vyžadují pravidelné kontroly stavu nabití a případného poškození. Testované lithium-iontové baterie jsou však napojeny na řídicí systém, takže mohou být kontrolovány na dálku.

V současné době jsou již v plánu testy na dalších přejezdech na tratích Jōban a Mito, aby bylo možné detailně analyzovat vlivy nepříznivých faktorů prostředí na baterie, například přepětí v důsledku úderu blesku.

„Budeme pokračovat v analýze výkonu baterií a snažit se navázat na slibné počáteční výsledky. Využijeme také zpětnou vazbu od těch, kteří železniční přejezdy udržují, aby bylo jejich používání co nejbezpečnější. Pokud testy potvrdí, že repasované baterie jsou pro použití na železnici bezpečné, pak si myslím, že můžeme očekávat rozšíření těchto snah, například do oblasti bezdrátových komunikačních zařízení,“ dodává Kaito Točihara.

Lithium-iontové baterie spustila věk elektroniky do kapsy, a elektromobilů. Od svého uvedení na trh před třemi desetiletími naprosto radikálně zlevnily. Ale proč?

Když se dnes mluví o bateriích, často se opakuje, že jsou stále příliš drahé. Ovšem na začátku 90. let, kdy se na trhu poprvé objevily dnes dominantní „li-onky“, byly přímo nekřesťanské drahé: zhruba 30krát dražší než dnes. Podle nedávné studie totiž cena lithiových akumulátorů za poslední tři desítky let klesla zhruba o 97 procent. Co za tímto rychlým poklesem cen stálo?

Na to se pokusila odpovědět v nové práci skupina odborníků z MIT. Podle nich byly zdaleka nejsilnějším faktorem úspěšné investice do výzkumu a vývoj, zejména v oblasti chemie a materiálových věd.

Jejich přínos byl větší než úspory z rozsahu – tedy úspory dané tím, že se baterie začaly vyrábět skutečně ve velkém v optimalizovaných závodech (ovšem úspory z rozsahu přispěly ke snížení cen druhým největším dílem). Nová zjištění byla zveřejněna v článku, který vydal odborný časopis Energy and Environmental Science.

Zjištění by mohlo údajně pomoci i při dalším plánovaní firem i států v této oblasti. Profesorka Jessika Tranciková (skutečně se píše s „k“) se nechala slyšet, že i další výhledy jsou poměrně optimistické, alespoň tedy podle analýzy, kterou udělal její tým. V technologii elektrochemických baterií jsou prý stále ještě značné rezervy a tedy prostor pro další pokles cen.

Jak na to

Podobné cenové analýzy bývají obtížné, protože většina relevantních informací se skládá z přísně chráněných obchodních údajů. „Prošli jsme akademické články, průmyslové a vládní zprávy, tiskové zprávy a specifikační listy. Dokonce jsme se podívali na některá právní podání. Museli jsme dát dohromady data z mnoha různých zdrojů, abychom získali představu o tom, co se v oboru vlastně děje,“ příblížil práci týmu Micah Ziegler z MIT v tiskové zprávě.

Říká, že tým nakonec shromáždil „přibližně 15 tisíc kvalitativních a kvantitativních datových bodů v tisícovke záznamů (zpráva, dokumentů. článků atp.). Podle týmu byly nejméně spolehlivé (a také nejhůře dostupné) údaje z prvních let po uvedení tohoto typu baterií na trh. Nejistoty dokáže potlačit porovnání různých zdrojů dat ze stejného období, ale pouze do jisté míry.

Mnoho týmů, mnoho přístupů

Nakonec autoři dospěli k závěru, že více než polovina z celkového poklesu ceny je důsledek úspěšného výzkumu a vývoje. Tam autoři zahrnuli veškerý výzkum a vývoj bez ohledu na zdroj a formu financování: patří tam R&D v soukromém sektoru, tak ve státních či veřejně financovaných institucích. Dritvá část tohoto poklesu nákladů v rámci této kategorie výzkumu a vývoje byla důsledek pokroku v chemickém a materiálovém výzkumu.

To není samozřejmě. Odobrníci se pokoušeli v minulosti přistupovat v k problému z různých úhlů a různých stran. Vylepšovala se konstrukce samotných bateriových článků, výrobní zařízení a postupy, docházelo (a dochází) k neustálé optimalizaci dodavatelských řetězců atd.

První "gigatovárna": závod společností Tesla a Panasonic v Nevadě (kredit Tesla)
První „gigatovárna“: závod společností Tesla a Panasonic v Nevadě (kredit Tesla)

Byť za práci na vývoj lithiových baterií byla v roce 2019 oceněna Nobelovým výborem trojice vědců (více o nich v boxu na konci článku), inovace vedoucí k pokles ceny nejsou podle autorů nové studie dílem jednotlivců. Podle nich jde o plod dlouholetého úsilí mnoha lidí a mnoha týmů z různých pracovišť.

Z hlediska strategie podpory výzkumu a vývoje je zajímavé i to, že pokles ceny byl z velké části výsledkem investic realizovaných až po komercializaci technologie lithium-iontových baterií. Tedy ve fázi, kdy se někteří analytici domnívali, že přínos výzkumu bude méně významný. Ve skutečnosti hrál ovšem tento vliv ve snížování ceny hlavní vliv ještě téměř čtvrt století po uvedení baterií na trh.

Nejen pro baterie

Studie využila analytický přístup, který Tranciková a její tým původně vyvinuli pro analýzu podobně prudkého poklesu nákladů na výrobu křemíkových solárních panelů v posledních několika desetiletích. A využili ho také k analýze růstu nákladů na jadernou elektrárny ve Spojených státech. „Naše práce míří k pochopení základním mechanismům technologických změn,“ říká Tranciková.

Jednou z výhod metodiky, kterou Tranciková a její kolegové vyvinuli, je podle ní to, že pomáhá roztřídit relativní význam různých faktorů, když se mění mnoho proměnných najednou – právě to se totiž obvykle při zdokonalování technologií děje. „Nejde o prosté sečtení vlivu těchto proměnných na náklady,“ vysvětluje Tranciková, „protože mnoho z těchto proměnných ovlivňuje mnoho různých složek nákladů. Je to taková složitá síť závislostí.“

Práce by podle autorů mohla být vodítkem při schvalování veřejných výdajů na výzkum a vývoj, ale posloužit by mohla i soukromým investorům. Které faktory z těch, jenž mohou ovlivnit, skutečně mají ovlivňovat? Na co vynaložit dostupné zdroje?

John Goodenough slaví 95. narozeniny (foto UoT)
John Goodenough slaví 95. narozeniny (foto UoT)

Jak to bylo s vytvořením „lionek“

Když byli 9. října 2019 oznámeni nositelé Nobelovy ceny za chemii, málokdo byl překvapený. Medaili a s ní spojenou prémii dostali John B. Goodenough, Stanley Whittingham (oba USA) a Akira Jošino (Japonsko). V podstatě by se dalo říci, že cena byla očekávána. Proč? Protože všichni tři zcela zásadně přispěli k vývoji materiálů, které najdete v bateriích, jež pohánějí nejen všechny možné druhy elektroniky, ale také elektromobily. Cynicky řečeno se udělení ceny se očekávalo nejen kvůli významu objevu, ale také proto, že John Goodenough je ve velmi požehnaném věku (97 let), a Nobelova cena se neuděluje posmrtně (Dodejme, že John Goodenought stále žije a je dokonce i ještě vědecky aktivní, byť jeho některé nedávné výsledky nejsou příjimány úplně kladně.)

Z laického hlediska jsou současné „lithium-iontové“ baterie v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořena 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. Může se zdát nepochopitelné, proč trvalo tak dlouho, než taková baterie vznikla.

Už nejméně století víme, že lithium je díky svým vlastnostem ideální surovinou pro výrobu baterii. Ale v praxi byl tento kov nepoužitelný. Po téměř celé 20. století si tak lidstvo vystačilo s bateriemi, které z velké části vznikly ještě ve „století páry“. Například klasický olověný akumulátor byl poprvé postaven v roce 1859. Situace se začala měnit díky práci laureátů a mnoha dalších vědců zhruba od 70. let.

První krok udělal Stanley Whittingham, který vytvořil funkční baterii s jednou lithiovou elektrodou. Jak to občas ve vědě bývá, k výsledku dospěl dosti velkou náhodou: věnoval se výzkumu vhodných supravodičů (tedy látek, které vedou elektřinu zcela beze ztrát). Experimentoval se sulfidem titaničitým. Zjistil, že to sice není materiál supravodivý, ale mohl by velmi dobře fungovat jako elektroda v baterii. V podstatě si ho lze představit jako plástev s mnoha vrstvami, mezi které se schovávají ionty lithia. Baterii tedy stále „pohání“ lithium, ale může ho obsahovat méně a v méně nebezpečné formě.

Výsledek byl ovšem polovičatý: Whittingham postavil baterii s katodou ze svého nově objeveného zázračného materiálu a anodou z čistého lithia. Vznikla tak dobíjecí baterie s na svou dobu vysokou hustotou energie a vhodným rozsahem pracovních teplot. To se pozdávalo i managementu společnosti Exxon, která během tehdejší ropné krize po jediné čtvrthodinové schůzce další vývoj zafinancovala. Ovšem zároveň byl jeho výrobek dosti nebezpečný.

Požáry v Whittinghamově laboratoři byly údajně tak časté, že mu místní hasiči začali účtovat použití speciálních směsí nutných pro hašení lithia. Výkony baterie se i tak dařilo zlepšovat. V roce 1976 Whittingham veřejně oznámil svůj vynález a začal baterie vyrábět v malých sériích pro hodinářský průmysl. Ale rozšířit řady zákazníků se dařilo jen pomalu. Navíc na začátku 80. let klesla cena ropy, Exxon začal šetřit a financování vývoje ukončil.

Výzkum pak převzal John Goodenough. Jako materiálový vědec měl pocit, že jeho předchůdce plně nevyužil potenciál své baterie. Jeho znalosti mu napovídaly, že kdyby se podařilo nahradit sulfid nějakým vhodným oxidem, mohlo by se výrazně zvýšit napětí baterie. Jeho tým se nakonec setkal s velkým úspěchem. Zjistili, že při využití katody z oxidu lithia a kobaltu (tzv. oxid kobaltolithný LiCoO2) stoupne napětí baterií na dvojnásobek původní hodnoty, zhruba na 4 V. LiCoO2 je od té doby jeden z nejpoužívanějších materiálů v bateriích. A také to není jediný Goodenoughův důležitý objev.

Jeho skupina například jako první přišla s další podobou lithiových akumulátorů, dnes stále rozšířenějších lithium-železo-fosfátových akumulátorů (tedy s katodou z LiFePO4).

Při povídání o práci posledního z oceněných, Akira Jošiny (angl. transkripcí Akira Yoshino), se dostávám už do 80. let. V Japonsku výrobci elektroniky hledali nové typy „pohonu“ pro spotřební elektroniku, kterou vyváželi do celého světa. Jošino pracoval s baterií vylepšenou podle receptu obou spolunositelů letošní ceny za chemii, ale pokoušel se ji učinit ještě praktičtější a bezpečnější.

Chtěl se například zbavit kovového lithia. Katodu vyrobil z Goodenoughem objeveného oxidu lithia a kobaltu a zkoušel k ní anody z různých uhlíkatých materiálů, které by sloužily jako „klec“ na lithiové ionty. Předchozí výzkumy ukázaly, že to by mohla být slibná cesta, jak zcela nahradit elektrody z klasického kovového lithia, které se ukázaly tak nebezpečné například pro Whittinghamovu laboratoř.

Jošino experimentoval s různými materiály, průlomu ovšem dosáhl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %). Jošino tak dokázal z baterie zcela odstranit čisté lithium a učinit ji výrazně méně hořlavou.

Lithiové baterie tak byly po desetiletích teoretických úvah a pokusů připraveny ke každodennímu využití. Uvedení do praxe se dočkaly v roce 1991 a od té doby jejich význam jen a jen roste – a cena klesá.

Evropská Unie, USA, Čína a další země chtějí zavázat výrobce automobilů, aby se zavázali k minimální životnosti baterií instalovaných do svých elektrických a hybridních automobilů. Předpis má zaručit kvalitu článků. Není však příliš ambiciózní.

Země se na tom v zásadě dohodly na Světovém fóru pro harmonizaci předpisů pro vozidla, které se konalo v Ženevě v rámci Evropské hospodářské komise OSN (EHK OSN). „V zásadě dohodnuto“ následně znamená, že zatím neexistuje žádné závazné rozhodnutí. Podle plánu se má o návrhu závazného nařízení hlasovat v březnu 2022.

Následně budou muset země, které s návrhem souhlasí, požadavek EHK OSN přenést do vnitrostátního práva. Podle sdělení EHK OSN by tak nařízení mohlo platit od roku 2023.

Pokud bude současný návrh přijat na jaře příštího roku, budou platit následující požadavky na odolnost baterií: Po pěti letech nebo ujetí 100 tisíc kilometrů smí baterie ztratit méně než 20 % své původní kapacity. Po osmi letech nebo 160 000 kilometrech nesmí ztráta přesáhnout 30 procent.

Podle EHK OSN je cílem zabránit používání „nekvalitních baterií“. To má zásadní význam „pro posílení důvěry spotřebitelů a zlepšení ekologických parametrů elektromobilů nad rámec jejich nízkých emisí“.

Pro samotné automobilky je nařízení ve své současné podobě pravděpodobně nepředstavuje žádnou velkou výzvu. V záručních podmínkách řady výrobců lze dnes najít záruku 70 procent kapacity po osmi letech nebo 150 tisíc najetých kilometrech lze již nyní nalézt velmi často. V některých případech výrobci zaručují tyto výkony i při vyšším počtu najetých kilometrů. Pokud by byl tedy přijatý návrh v současné podobě, v podstatě by se přenesl do práva faktický status quo.

Kromě EU, USA a Číny podporují iniciativu také Japonsko, Kanada, Jižní Korea a Velká Británie. Takové nařízení by pak platilo jednotně na dosud největších trzích s elektrickými vozidly.

V jednom ohledu by však nařízení šlo ještě dál: spotřebitelé by mohli získat jakési právo na informace. „Podle navrhovaného nařízení budou přesné informace o stavu a zbývající kapacitě baterie volně dostupné majiteli vozidla,“ říká André Rijnders, předseda pracovní skupiny pro znečištění a energii (GRPE). „To poskytne cenné informace pro transakce s ojetými / použitými elektromobily a jiné změny majitele vozidla.“

Švédský výrobce baterií Northvolt oznámil, že se mu podařilo zvládnout výrobu bateriového článku pouze z recyklovaných materiálů – konkrétně z niklu, manganu a kobaltu (NMC). Společnost, která na uskutečnění svých plánů získala nemalé investiční prostředky například od Goldman Sachs či Volkswagenu, uvedla, že novou lithium-iontovou baterii je možné vyrobit tímto způsobem díky jejímu originálnímu recyklačnímu programu Revolt. Všechny recyklační a výrobní procesy si přitom firma vyprojektovala sama ve svých Northvolt Labs ve městě Västerås. Podstatou tohoto způsobu recyklace je nízkoenergetický hydrometalurgický proces, při němž se k izolaci kovů a jejich oddělení od nečistot používá vodný roztok.

Testy baterie následně ukázaly, že její výkon je srovnatelný s články vyrobenými z čerstvě vytěžených kovů. Firma proto plánuje, že kapacitu recyklačního zařízení, které je zatím pouze na papíře, navrhne tak, aby bylo možné ročně zrecyklovat až 125 000 tun baterií.

Výstavba závodu nazvaného Revolt Ett má začít v prvním čtvrtletí roku 2022, do provozu by měl být závod uveden v roce 2023. Výrobním materiálem budou vysloužilé baterie z elektromobilů a šrot z bateriové gigafactory Northvolt Ett. Ta by měla první baterie vyrobit již koncem letošního roku. Obě zařízení se budou nacházet v těsné vzájemné blízkosti v severošvédském městě Skellefteå.

Vedle již zmíněných materiálů bude závod Revolt recyklovat také plasty, měď a hliník a následně je bude nevracet do výrobních toků prostřednictvím lokálních výrobních závodů.

Jde o míru recyklace

Podle ředitelky společnosti Revolt Emmy Nehrenheim by teoreticky mělo jít recyklovat jakýkoli kov, který je v baterii obsažen, a následně z něj vyrobit zcela novou baterii. „Základní strategií vyspělého trhu s elektromobily – tedy takového, kde do provozu vyjíždí stejné množství vozidel, jako je množství těch, která je třeba sešrotovat nebo poslat na recyklaci – má být dosažení velmi vysoké míry recyklace baterií. To znamená, že pak již nebudeme závislí na velmi likvidním trhu se surovinami a také zmenšíme svoji negativní ekologickou stopu,“ domnívá se Emma Nehrenheim.

Plány společnosti Northvolt přicházejí v době, kdy přechod k elektromobilitě začíná nabírat na síle. Na právě skončeném summitu COP26 o změně klimatu byla mimo jiné zveřejněna deklarace, jejíž signatáři se zavázali k tomu, že budou pracovat na tom, aby veškeré vozy prodané po roce 2040 neprodukovaly žádné emise. Na největších automobilových trzích by přitom tímto mezníkem měl být již rok 2035.

Mezi signatáři deklarace jsou například vlády Spojeného království, Mexika či Kanady a velké automobilky, jako je Ford, General Motors nebo Volvo Cars. Citelně chybějí podpisy vlád USA, Číny a velkých výrobců automobilů, jako je Volkswagen či Toyota.

Nutná alternativa

Avšak bez ohledu na politické deklarace je v praxi zcela zřejmé, že globální dodavatelské řetězce čelí v důsledku mnoha faktorů značnému tlaku, a pro řadu firem se tak recyklace materiálů a budování oběhového hospodářství jeví jako zajímavá nebo v některých případech dokonce jako nutná alternativa.

„Bude to klíčová hnací síla pro každé nové odvětví. Žádná převratná technologie nebude moci bez recyklace existovat a myslím si, že z dlouhodobého hlediska budou recyklované materiály v jakémkoli odvětví velkou konkurencí materiálům novým,“ myslí si Emma Nehrenheim. „Měli bychom také mít na paměti, že v Evropě do roku 2030 doslouží přibližně 250 000 tun baterií,“ dodala. Společnost Northvolt proto chce být na nadcházející roky dobře připravena.

Společnost Northvolt – kterou v roce 2016 založil bývalý manažer firmy Tesla Peter Carlsson – uvádí, že se jí již podařilo uzavřít smlouvy s důležitými zákazníky, včetně automobilek Volkswagen, Volvo Cars, BMW, Fluence, Scania nebo Polestar, přičemž celkový objem objednávek prý již přesáhl 27 miliard USD.

Pevnou a vlastně nezbytnou součástí výrobního cyklu baterií by měla být i recyklace. Mohou ovšem recyklované materiály a baterie z nich být dostatečně kvalitní?

Srdce dnešních elektrických vozů – lithium-iontové baterie – nejsou tak šetrné a ekologické, jak si často představujeme. Obsahují velké množství kovů, které musíme nějak získat. Odhadovaná poptávky je tak veliká, že velkou bude v dohledné době nutné zřejmě vytěžit.

Postupně by se však měl narůstat význam recyklace těchto materiálů. Ta by mohla minimalizovat sociální a environmentální dopady těžby, zabránila by skládkování milionů tun baterií a snížila by spotřebu energie a emise vznikající při výrobě baterií.

Přestože se však odvětví recyklace baterií pro elektromobily již pomalu začíná rozbíhat, přimět výrobce automobilů k používání recyklovaných materiálů je stále obtížné. „Lidé mají obecně dojem, že recyklovaný materiál není tak kvalitní jako původní,“ řekl pro časopis IEEE Spectrum Yan Wang, profesor strojního inženýrství na Worcester Polytechnic Institute. „Výrobci baterií s využitím recyklovaného materiálu ve svých produktech stále váhají.“

Wang si myslí, že pro to není důvod – a své závěry má podložené fakty. Studie jeho týmu, který zahrnoval i odborníky ze společnosti A123 Systems, která vyrábí baterie, naznačuje, že výrobci baterií a automobilů by se nemuseli recyklovaných produtků obávat. Podle závěrů studie zveřejněné v časopise Joule mohou být baterie s recyklovanými katodami stejně dobré nebo dokonce lepší než baterie využívající nově vytěžené materiály.

Tým testoval baterie s recyklovanými katodami NMC111, což je nejběžnější druh katody obsahující po třetině niklu, manganu a kobaltu. Katody byly vyrobeny pomocí patentované recyklační techniky, kterou nyní komerčně využívá startup Battery Resourcers, který Wang spoluzaložil.

Recyklovaný materiál měl trochu jiné vlastnosti než nový. Na mikroskopické úrovni poréznější, a tedy propustnější pro lithiové ionty. Výsledkem jsou baterie s podobnou hustotou energie jako baterie vyrobené z komerčních katod, které však zároveň vykazují až o 53 % delší životnost.

Recyklované baterie sice nebyly testovány v automobilech, ale testy byly provedeny v průmyslově relevantním měřítku. Výzkumníci vyrobili standardní články o kapacitě 11 ampérhodin. Většinu testů provedli odborníci ze společnosti A123, tvrdil Wang novinářům.

Používali přitom protokol navržený USABC pro splnění cílů komerční životaschopnosti plug-in hybridních elektromobilů. Výsledky podle něj dokazují, že recyklované katodové materiály jsou životaschopnou alternativou k „panenským“ materiálům.

Zlato v katodě

Baterie pro elektromobily jsou ovšem složitá zařízení, a jejich recyklace není snadná. Zahrnuje buď jejich spalování s využitím velkého množství energie, nebo rozmělňování a rozpouštění v kyselinách.

Většina velkých recyklačních společností, které se zabývají především recyklací baterií pro spotřební elektroniku, a také většina start-upů, které se v této budoucnosti chtějí prosadit v blízké budoucnosti, jednoduše řečeno „rozloží“ s pomocí těchto a dalších metod baterie na základní suroviny. Ty prodávají společnostem vyrábějícím materiály pro baterie, které následně vyrobí vysoce kvalitní materiály pro výrobce automobilů a baterií.

Největší část ceny elektromobilové baterie se však skrývá v katodě, upozorňuje Wang. Katodové materiály bývají patentovanými sloučeninami několika různých kovů, včetně niklu, manganu a kobaltu. Mají pečlivě navrženou strukturou, a skládají se ze zrn o specifické velikosti.

Battery Resources tvrdí, že její recyklační proces by mohl produkovat katodové NMC materiály přesně podle požadavků dané automobilky. Což by mohlo výrazně zvýšit prodejní cenu, a tedy zvýšit ziskovost celého procesu. „Jsme jediná společnost, která poskytuje výstup, který je katodovým materiálem,“ tvrdí Wang a dodává: „Ostatní společnosti vyrábějí prvky. Takže jejich přidaná hodnota je nižší.“

Firemní postupy zahrnují drcení baterií a odstraňování ocelových pouzder, hliníkových a měděných drátů, plastů a materiálů pouzder určených k recyklaci. Zbývající hmota se rozpustí v rozpouštědlech a grafit, uhlík a nečistoty se odfiltrují nebo chemicky oddělí. Pomocí patentované chemické techniky se pak nikl, mangan a kobalt smíchají v požadovaném poměru a vytvoří se katodový prášek.

Technologii přímé recyklace vyvíjí i několik dalších výzkumníků a organizací, jako je ReCell Center, výzkumná spolupráce v oblasti recyklace baterií podporovaná americkým ministerstvem energetiky. V dohledné době však pravděpodobně velké objemy recyklovaného katodového materiálu patrně nikdo jiný produkovat nebude.

Společnost Battery Resourcers zatím prodává své recyklované materiály výrobcům baterií také v malých objemech, před konkurencí se však zdá mít náskok. Společnost plánuje otevřít svůj první komerční závod, který bude schopen zpracovat 10 000 tun baterií, v roce 2022. V září získala 70 milionů dolarů, za které plánuje do konce roku 2022 spustit další dvě zařízení v Evropě.

Společnost Tesla během hovoru oznámila, že její vozy Model 3 a Model Y budou mít v základu „lidové“ články typu LFP. Tento úspěšný typ článků se tak zřejmě vydá ve větším měřítku z Číny do světa.

Společnost Tesla tento týden ve zprávě o hospodaření za třetí čtvrtletí nenápadně oznámila i změnu v tom, jaké články budou dostávat její vozy. Nově budou všechny tři nejlevnějšíh Modelu 3 a také Modelu Y vybaveny články technologie „lithium železo fosfát“, které se označují anglickou zkratkou LFP.

Tyto “železité” akumulátory mají sice nižší energeetickou hustotu a poskytují tedy při stejných rozměrech baterie kratší dojezd, ale jsou výrazně levnější, protože používají železo namísto dražších materiálů, jako je nikl, mangan nebo kobalt.

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

I proto se většina výrobců snaží zbavit v první řadě právě kobaltu. (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 nebo méně.)

Pro varianty “Long Range” nebo “Performance” se budou nadále instalovat baterie NMC, ale s již zmíněným sníženým obsahem kobaltu. V závislosti na konstrukci modelu budou použity katody s vysokým obsahem niklu nebo manganu. Vzhledem k tomu, že poptávka po niklu roste mnohem rychleji než těžební kapacity, mohly by nedostatky v dodávkách a rostoucí ceny omezit výrobu velkoobjemových modelů – proto je kladen důraz na články LFP pro vozidla se standardním dojezdem.

Otevře jim cestu na západ?

Krok to není neočekávaný. Elon Musk oznámil záměr zaměřit se více právě na baterie LFP již během “Bateriového dne” v září 2020 . Týká se to především modelů “Standard Range”, v nichž mají být použity robustní a odolně baterie toho typu.

K tomu je zapotřebí ovšem tyto baterie dostat ve větším měřítku z Číny. Tato země dominuje výrobě baterií na bázi železa díky řadě klíčových patentů, které jí umožnily vyrábět 95 % světových LFP článků. Na čínském trhu jsou tedy zdomácnělé. Ostatně nejprodávanější čínský elektromobil, Wuling Mini za 4 500 dolarů (tedy zhruba 100 tisíc korun), používá balíčky LFP od výrobců, jako je Hefei.

Jinam do světě se ovšem příliš nemohly, protože byly považovány za klíčovou technologii, která se má vyrábět výhradně na čínské půdě. To by se teď mělo změnit, protože celá řada klíčových patentů v této oblasti končí.

Společnost Tesla uvedla, že plánuje celosvětově používat baterie LFP ve své flotile vozidel standardního dojezdu a přesunout výrobu baterií blíže ke svým továrnám. „Naším cílem je lokalizovat všechny klíčové části vozidel na kontinentě,“ řekl investorům Drew Baglino, senior viceprezident pro pohonné jednotky a energetické inženýrství ve společnosti Tesla. Tesla staví továrny ve Spojených státech a v Německu. „Interně spolupracujeme s našimi dodavateli, abychom tohoto cíle dosáhli, a to nejen na úrovni konečné montáže, ale co nejdále po proudu.“

Tesla v tomto případě není samozřejmě sama, kdo si uvědomuje výhodu levnějších baterií. Řada výrobců automobilů, včetně General Motors ši Volkswagenu, používají pro vozy s delším dojezdem nebo vozy sportovní baterie s vyšším obsahem niklu (a případně dalších dražších surovin). A pro levnější, základní modely používají baterie levnější.

LFP čili Lithium železo fosfát

Tyto články s vysokým obsahem železa byly jednu dobu považovány alespoň co se elektromobility týče tak trochu za „slepou uličku“ kvůli nízké energetické hustotě. Na začátku roku 2021 stále tvořily méně než 10 % všech dodaných li-ion článků. Ovšem podle analytiků se množství do výrobků článků v druhé polovině roku 2020 meziročně zvýšilo několikanásobně, a další růst bude jen následovat. Mají totiž zásadní výhodu v ceně.

Tento typ článků nabízí kvůli použitým materiálům tedy nižší měrnou hustotu energie (100-160 Wh/kg) než články využívající dražší materiály. Na druhu stranu, mají vysoký měrný výkon. Nominální napětí je nižší a činí 3,2 V a nabíjí se na napětí 3,6 V. Mohou tedy poměrně přímočaře posloužit jako náhrada za klasické olověné akumulátory. Dnes je populární volbou pro uložiště energie, UPS a trakční použití obecně.

Jde o velmi stabilní baterii. Rozkládá se při teplotách kolem 270 stupňů Celsia. Při přebíjení, nadměrném vybíjení, zkratu, propíchnutí cizím objektem a podobně nezačíná rychle, jako tomu bývá u řady jiných dnes používaných typů. Ještě větší výhodou než zvýšená bezpečnost je ovšem malé zastoupení drahých materiálů a tedy nízká cena. To je hlavní důvod, proč její zastoupení na trhu neustále roste. Životnost se počítá na tisíce (2000-5000) cyklů a stárnutí probíhá za běžných teplot pomalu.

Lepší článek

Tesla během stejného hovoru poskytla také velmi skromné informace o postupu v případě nového, vylepšeného článku 4680. Ten by měl dodat “šťávu” Muskovům sny o milionůch elektromobilů ročně. Dojezd vozů by se měl zvýšit o více než 50 %, 16 % z toho díky vyšší energetické hustotě nového článku, a náklady na baterie by měly klesnout na polovinu. Díky tomu by se v prodeji měla v příštích letech objevit Tesla za 25 tisíc dolarů, tedy zhruba půl milionu korun.

Drew Bagliano uvedl, že články by se měly poprvé montovat do vozů na začátku příštího roku. Ale i když je podle něj společnost zatím spokojená s tím, jak práce postupují, nikdo si podle něj nemůže být jistý tím, že vše půjde i nadále podle plánu. Jde o článek s novou architekturou, a tak se mohou stále objevit nečekaná nepříjemná překvapení, „nezámé neznámé“, jak řekl Bagliano.

Člány by měly obsahovat několik novinek. Jedna spočívá 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 roce 2020 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. „Tabless“ baterie by však mohly mít například zvýšenou životnost. Vyšší teploty bateriím rozhodně neprospívají.

Novým typem baterie by měla do jisté míry i dohánět konkurenci. Ještě v Modelu 3 totiž používá systém chlazení, který není úplně efektivní. Mezi řadami článků má kanálky na odvod odpadního tepla, které vlastně nejsou zapotřebí. Většina tepla totiž vzniká na obou koncích článků. Dělat mezi nimi místo na kanály je podle jiných výrobců znalců oboru v podstatě zbytečně.

Samozřejmě, znalcům nemusíte věřit. V případě Tesly se už mnohokrát mýlili. V tomto případě ale v podstatě uznává svou chybu i Tesla sama. Nové “balení” baterie kanálky mezi články mít nebude, místo toho budou články umístěny na kapalinou chlazené desce. Velmi podobně jako to je u elektromobilů GM, Fordu, Volkswagenu, Porsche a tak dále a tak podobně.

Místo by se mělo uspořit i jinak. Konstruktér a konzultant Sandy Munro, který proslul svým YouTube kanálem, kde rozebíra elektromobily, nedávno odhadl, že Tesla dokáže zvýšit výkon bateriových celků o více než 50 procent při zachování stejných rozměrů. Do rozměrů baterie pro Teslu 3, která má kapacitu 72 kWh, by se podle něj mohla vejít nová baterie s kapacitou cca 130 kWh.

Kromě zmíněné úspory vzniklé změnou chladícího systému by k tomu měly významně přispět i další změny v konstrukci. Více dílů by mělo být slepeváno, a také svařované části konstrukce se dají udělat efektivněji. Celkem by tam nové bateriové celky podle něj mohly obsahovat o 30 až 40 procent méně oceli.

Světovému obchodu s bateriemi dominuje vybraná hrstka. Jen šest společností dodalo v roce 2020 87 procent všech bateriových článků do elektromobilů. Firmy BYD, CATL, LG Energy Solution, Panasonic, Samsung SDI a SK Innovation.

Zdaleka největším odběratelem byla společnost Tesla. Ta ve stejném časovém období do automobilů namontovala baterie s celkovou kapacitou 22,5 gigawatthodiny. To bylo téměř stejně jako součet produkce pěti nejbližších konkurentů dohromady: BYD, Hyundai, Mercedes, Renault a Volkswagen.

PořadíFirma
Odběratelé
Výroba (v GWh)Tržní podíl (v %)
Růst mezi lety 2016 a 2020 (v %)
1Contemporary Amperex Technology Co. (CATL)BMW, Dongfeng Motor Corp. Honda, SAIC Motor Corp. Stellantis, Tesla, Volkswagen Group, Volvo Car Group21,5
26
3400

2LG Energy SolutionGeneral Motors, Groupe Renault, Stellantis, Tesla, Volvo, VW Group21,4 26 1193
3PanasonicTesla, Toyota14,1 17 214
4Samsung SDIBMW, Ford, Stellantis, VW Group5,5 7399
5BYD Co.BYD, Ford5,57113
6SK InnovationDaimler, Ford, Hyundai, Kia3,44226
7China Aviation Lithium Battery (CALB)GAC Motor, Zhejiang Geely Holding Group Co.2,73321
8Gotion High-TechChery Automobile Co., SAIC, VW Group1,4223
9Automotive Energy Supply Corp. (AESC)Groupe Renault, Nissan1,42 46
10Ruipu Energy Co. (REPT)Dongfeng, Yudo Auto0,61100
Další4,25122
Celkem81,6100355
Největší dodavatelé baterií pro elektromobily od ledna do května 2021. (Zdroje: IEEE Spectrum, Adamas Inteligence, Businesskora, Electrive, BMW, Ford, Honda, Volvo)

Ve stejné době se zvedla „poptávková tsunami“. Ta vyvolala nebývalý tlak na dodavatelské řetězce materiálů pro baterie a motory a vyvolalo prudký nárůst cen lithia, niklu, kobaltu, neodymu, praseodymu, dysprosia a terbia.

Jak uspokojit poptávku

Jak svět uspokojí svět poptávku po bateriích? Podle Venkata Srinivasana, ředitele Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, by jen Spojené státy k pokrytí předpokládané poptávky mohly během 15 let potřebovat 20 až 40 gigatováren s celkovou terawattovou kapacitou nových baterií. „Právě teď na to Spojené státy nemají dostatek materiálů, takže klíčem k rozjezdu výroby bude náhrada části dnes používaných materiálů a recyklace,“ řekl Srinivasan pro IEEE Spectrum.

General Motors, který se snaží bojovat s dnes dominantními asijskými výrobci, staví v Ohiu a Tennessee továrny s celkovou kapacitou 70 gigawattů. To je dvojnásobek kapacity nevadské gigatovárny společnosti Tesla.

Ford plánuje ve spolupráci s jihokorejskou společností SK Innovation zvýšit do roku 2030 kapacitu v Severní Americe na 140 GW, a celosvětově na 240 GW. Ford odhaduje, že k tomu bude zapotřebí šest továren ve Spojených státech a deset ve zbytku světa.

Tempo růstu je ale již dnes ohromující. Společností CATL (Contemporary Amperex Technology) a LG Energy Solution v posledních čtyřech letech vyrostly řádově o tisíce procent.

Stará technika, nové triky

Rychlý nárůst poptávky může vytvořit něco, co banka Goldman Sachs nazývá „komoditním supercyklem“. Ten může dlouhodobě zatížit dodavatelské řetězce a ceny lithia a dalších materiálů (například vzácných kovů). O přijetí elektrických vozidel také rozhodnou do značné míry vlády a spotřebitelé. Růst a vládní signály v souvislosti s klimatickou krizí však naznačují, že přichází období boomu v oblasti baterií.

Zvláště patrné je v to ve výrobě výkonných článků. Všichni výrobci automobilů se rádi chlubí nejlepším dojezdem nebo výkonem ve své třídě. Navíc mohou zákazníky oslnit rychlým nárůstem těchto parametrů. Energetická hustota bateriových článků se za posledních deset let téměř ztrojnásobila a přední chemické články nyní dosahují mohou obsahovat 300 watthodin na kilogram.

Ale zároveň musí výrobci myslet na to, co do svých baterií dávají. Některé materiály budou nedostatkovější, a tedy dražší než jiné. Příkladem může být kobalt. Ten se z velké části těží v podmínkách, které by do 21. století neměly patřit. A firmy pak samozřejmě slyší i na to, že vzhledem k rozsahu nabídky může jeho cena rychle stoupat.

Rizikový kobalt tak v bateriích nahrazují jiné prvky, především nikl. Závod o zvýšení obsahu tohoto kovu v bateriích vede dnes společnost LG Energy Solution. Výkonné NCMA články (nikl, kobalt, hořčík, hliník) této jihokorejské společnosti budou brzy pohánět Tesly vyráběné v Číně a řadu elektromobilů General Motors. Mají také nejvyšší zastoupení niklu v odvětví: elektrolyt ho obsahuje 88 %.

Přitom kapacita je vyšší než u starších modelů s vyšším obsahem kobaltu. Výrobci tak mohou do daného prostoru vtěsnat více energie a dojezdové vzdálenosti, aniž by museli zásadně měnit konstrukci baterií.

O krůček níže jsou články NCM811 od hráčů, jako je Contemporary Amperex Technology Co. (CATL), LG a SK Innovation, s poměrem niklu, kobaltu a manganu zhruba 8:1:1. Castilloux říká, že jedním z triků je přidat nikl a omezit kobalt a zároveň zajistit tepelnou stabilitu, protože požáry škodí obchodu.

Adamas Intelligence uvádí, že 60 % všech baterií osobních elektromobilů nasazených v roce 2020 bude obsahovat články s vysokým obsahem niklu, jako jsou články NCA nebo NCM řady 6 až 8.

Zkušebnou nové a zatím ve velkém nenasazované technologie NCMA je dnes Čína. Ale výrobci s nimi nechtějí v Číně zůstat, chtějí prorazit na západní trhy.

Ale na technologii je ještě co zlepšovat. Například špičkové články společnosti CATL se v současnosti vyrábí velmi neefektivně. Společnost neustále rychle navyšuje výrobu a procesy ladí teprve postupně. Podle Castillouxe v současné době na každý vyrobený článek CATL s vysokým obsahem niklu připadá zhruba jeden vadný článek, který jde na recyklaci (což je také špatné pro obchod).

Baterie pro masy?

Určitě to nebude jen neustálý pochod směrem k lepším a výkonnějším bateriím. Na výsluní se například vrací lithium-železo-fosfátové (LFP) baterie, které byly kdysi považovány za zastaralé. A to zejména v Číně, kde společnost Contemporary Amperex Technology Co. (CATL), která je nyní největší světovou bateriovou společností, dodává LFP pro standardní model 3 společnosti Tesla.

Elon Musk nedávno vyvoval značnou pozornost, když naznačil, že Tesla dlouhodobě přechází na levnější, bezkobaltové baterie LFP. „To je vlastně dobře, protože železa je na světě dost,“ řekl v červenci 2021 před novináři.

LFP stále tvoří méně než 10 % všech li-ion článků. Ovšem podle analytiků se množství do výrobků článků v druhé polovině roku 2020 meziročně zvýšilo o 600 %. LFP má menší energetickou hustotu než na nikl bohaté litihum-iontové články, ale jejich katodové materiály jsou levnější.

K řešení nevýhod v oblasti účinnosti přispívá konstrukce „cell-to-pack“, která upouští od použití nesčetných válcových článků uspořádaných do modulů. Větší hranolové články se integrují přímo do balení, což šetří místo, snižuje počet součástek a zjednodušuje chlazení a připojení. „Balení je v podstatě jeden velký modul,“ říká Castilloux.

Nejprodávanější čínský elektromobil, Wuling Mini za 4 500 dolarů, používá balíčky LFP od výrobců, jako je Hefei. Srinivasan říká, že LFP se pro některé aplikace jeví jako ideální. „Levnější auto s LFP, které vydrží dlouho a ujede kolem 250 kilometrů, není špatné,“ říká.

Objevuje se nový, v podstatě celosvětový trend: výrobci automobilů – včetně General Motors, Tesly a Volkswagenu – používají baterie s vyšším obsahem niklu (a případně dalších dražších surovin) pro vozy s delším dojezdem nebo vozy sportovní. Baterie LFP se pak používají pro levnější, základní modely.

Plánovaná česká továrna na baterie do elektromobilů, takzvaná gigafactory, by mohla vyrobit baterie o kapacitě více než 30 gigawatthodin, což vystačí pro 400 až 800 tisíc osobních automobilů ročně. Záleží na technologii výrobce, respektive výrobců baterií z cínoveckého lithia a kapacitě finálních baterií. To novinářům sdělila mluvčí ČEZ Barbora Peterová. V současném plánu projektu těžby lithia společnosti Geomet, ve které má polostátní ČEZ majoritní podíl, je podle ní vytěžení a následné zpracování 34,5 milionu tun rudy během 21 let od začátku těžby. To se přitom plánuje na rok 2025.

Znamenalo by to tedy nejspíše, že ČEZ plánuje roční kapacity zvažované „obrtovárny“ někde v rozmezí 20-50 gigawatthodin roční výroby. Je to samozřejmě pouze hrubý odhad, který je založený na průměrné kapacity baterie elektromobilu kolem 50 kWh (v roce 2021 byla 43 kWh). To je plně srovnatelné s Gigafactory 1, známé také jako Giga Nevada, tedy první závodem tohoto typu, který postavily v Nevadě společnosti Tesla a Panasonic (podíl Panasonicu byl významný a jeho technologie byly pro rozjezd klíčové).

Na pohled není skromný cíl. Nevadská Gigafactory 1 byla v roce 2020 největším výrobnou baterií ve světě a vyrobila baterie s kapacitou cca 37 GWh. ČEZ tedy v podstatě říká, že chce zvládnout podobý úkol jako Tesla. Je ovšem nutné vzít v úvahu, že know-how na stavbu podobných podniků rychle přibývá a postavit desátou či dvacátou továrnu takového typu už nebude tak obtížný úkol jako postavit první. Ale i tak půjde o projekt, na kterém se dá leccos zkazit.

ČEZ si zatím věří: „Zatím jsme neidentifikovali žádné zásadní překážky, které by budoucí těžbě a následnému zpracování bránily. Provádíme desítky zkušebních vrtů a pracujeme na finální ekonomické a technologické studii proveditelnosti. Ta má upřesnit závěry z předběžné studie proveditelnosti a přinést odpovědi na všechny důležité otázky. V zásadě na to, jak otevřít důl a jak těžit a jak pak z vytěženého materiálu získat lithium,“ řekla Peterová. Uvidíme za několik let

Konečné rozhodnutí by podle ní mělo padnout v roce 2023, pak by mohla následovat stavba závodu s tím, že zahájení těžby by bylo v roce 2025. „Paralelně běží práce na povolovacích řízeních včetně běžícího procesu EIA (posudek vlivu na životní prostředí). Nyní čekáme na vyjádření ministerstva, které stanoví oblasti, na které se máme zaměřit při zpracování dokumentace vlivu stavby na životní prostředí,“ uvedla mluvčí.

Potřebujeme ji, tvrdí experti

Vicepremiér Karel Havlíček (za ANO) a generální ředitel ČEZ Daniel Beneš v posledním červencovém týdnu podepsali memorandum o podpoře plánovaného projektu gigafactory v Česku. Zájem podle Havlíčka má Volkswagen (VW), jehož součástí je i česká automobilka Škoda Auto, a korejská LG. Z materiálu, který má ČTK k dispozici, vyplývá, že investice má v první fázi činit minimálně 52 miliard korun a v souvislosti s ní se předpokládá vznik minimálně 2300 nových pracovních míst. Favoritem pro stavbu takzvané gigafactory je areál bývalé hnědouhelné elektrárny Prunéřov 1, kterou loni ČEZ odstavil.

Většina expertů, které nedávno oslovila ČTK, se shodla, že plánovaný vznik továrny na baterie pro elektromobily v Česku je pro tuzemský automobilový průmysl kvůli vývoji na trhu a směřování Evropy k nízkoemisním zdrojům téměř nutností. Šéf ČEZ Beneš v úterý uvedl, továrna na baterie pro elektroautomobily by při optimistickém scénáři mohla v ČR stát mezi roky 2026 až 2028. Dodal, že výše podpory státu pro plánovanou stavbu gigafactory v tuto chvíli není dojednaná, tvořit ji podle něj má přímá podpora i daňové úlevy.

Vedoucí odboru surovinového informačního systému České geologické služby Jaromír Starý uvedl, že v Česku je v současnosti evidováno 571,5 milionu tun rudy s 1,14 milionu tun lithia. Uvedl, že v ČR jsou proti dřívějším třem už jen zhruba dvě procenta světových zdrojů lithia. „Průzkumy a přírůstky zdrojů ve světě pokračují,“ vysvětlil. V Česku je malé množství na ložisku ve Slavkovském lese a naprostá většina na Cínovci. „Předmětem dobývání budou nejbohatší a nejpřístupnější části cínoveckého ložiska,“ dodal.

Prodeje elektromobilů od 2011
Prodeje elektromobilů a plug-in hybridů od 2011 na hlavních trzích

Nejen lithium

Dodejme k tomu, že na Cínovci by se nemělo mluvit pouze o těžbě lithia. Do značné míry by se pokračovalo v tradici místní těžby cínu, ale s podstatně větším důrazem na příměse, které v minulosti nebyly důležité. (Ostatně druhé, menší cínovecké naleziště, je v podstatě skládka.)

Jde o přirozený důsledek vývoje technologií. Například jáchymovský smolinec býval doslova odpad, kterým se zaplňovala nepoužívaná důlní díla, protože nikdo nevěděl o jaderném štěpení. Stejně tak wolfram byl dlouho nevyužitelný, protože ještě nebyly objeveny moderní postupy legování kovů. O lithiu na Cínovci se ví již dávno a před sametovou revolucí se s jeho extrakcí i v menším experimentovalo, ale nebyl pro něj odbyt.

Pestré složení cínovecké rudy znamená, že zpracování by probíhalo v několika krocích. Separace wolframu a cínu se dá nejspíše provádět odstředivou silou, protože nerosty, ve kterých tyto dva prvky jsou na Cínovci obsaženy, jsou poměrně těžké. V podstatě jde o průmyslovou obdobu rýžování zlata, při kterém při rotaci postupně vypadávají z pánve lehčí složky, až na místě zůstanou nejtěžší zlatá zrna.

Cinvaldit, tedy nerost obsahující lithium, by se měl údajně z rozdrcené rudy získávat magnety. Společnost European Metal Holding tvrdí, že by mělo jít o proces velmi efektivní, s výnosem 92 procent, což je z hlediska těžařů výrazné plus.

Skryje se pod zemí?

Zajímavou otázkou bude, jakou přesně technologie firma zvolí. Těžba na Cínovci by byla zřejmě nejlevnější povrchově. Jedna část ložiska totiž dosahuje až k povrchu. Ovšem otevření lomu v centru Cínovce je zcela nereálné, a tak se zatím počítá, že by se horníci vrátili pod zem zhruba ve stejných místech, kde se pohybovali do ukončení těžební činnosti na začátku 90. let.

Většina činnosté, včetně oddělování rud od hlušiny, by snad podle předběžných informací měla probíhat v podzemních prostorách dolu. Na povrchu by měly být patrné jen malé stopy důlní činnosti, například dopravníku k železničnímu nádraží u Dubí, odkud by se materiál měl vozit dále do – zatím hypotetického – zpracovatelského závodu. Podzemní řešení by mělo nejen pomoci splnit ekologické požadavky na provoz a zaručit podporu místních obyvatel, ale také minimalizovat náklady na dopravu.

Pohled na Cínovec
Pohled na Cínovec (Jens Jäpel)

Firma ve své předběžné studii proveditelnosti v roce 2017 odhadovala, že na Cínovci by se cena těžby měla pohybovat kolem 3 500 dolarů za tunu obvyklé prodejní suroviny, tedy uhličitanu lithného (LI2CO3), což je vůbec nejnižší cena ze všech lokalit, kde se lithium těží z pevných hornin.

K nízké ceně má přispět, že se v ložisku budou těžit další suroviny, především cín a wolfram. Bez nich by byly podle dnešních odhadů těžarů provozní náklady téměř o polovinu vyšší a pohybovaly by se někde kolem pět tisíc dolarů na tunu uhličitanu lithného. Dále k relativně nízké ceně přispívají i další skutečnost jako fakt, že horninu lze poměrně snadno drtit a rudy oddělit či lokalita: ložisko není někde uprostřed divočiny, a má tak snadno zaručené dodávky zemního plynu, elektřiny, vody, přístup k dopravní infrastruktuře, dostatečně vzdělaným zaměstnancům atd.

Konečně k něčemu!

Poprvé lidé existenci lithia jako prvku zaznamenali zhruba před dvěma stoletími. Přesně v roce 1817, kdy si švédský chemik Johan August Arfwedson v brazilském nerostu všiml neznámého kovu s vlastnostmi velmi podobnými draslíku či sodíku. Pojmenoval ho lithium, od řeckého výrazu pro „kámen“ (lithos), protože se ho na rozdíl dvou výše zmíněných prvků podařilo objevit v nerostu (draslík byl totiž objeven v rostlinném popelu, sodík byl známý i díky tomu, že je přítomen krvi).

Dlouhou dobu se lithium využívalo spíše okrajově. Úspěšné využití našlo například v psychiatrii při léčbě bipolární poruchy. Své omezení našlo také ve sklářství, kde je důležitou složkou transparentních glazur pro redukční výpal keramiky. Používá se i pro snižování bodu tání, úpravu viskozity a součinitele tepelné roztažnosti (třeba na materiál pro sklokeramické varné desky). Své využití našlo i v metalurgii, kde se využívá zejména k výrobě lehkých slitin pro leteckou a kosmickou techniku

Ale skutečný lithiový boom přišel s rokem 1991, kdy se na trhu poprvé objevily lithium-iontové baterie (tehdy od Sony). Právě „lionky“ byly nezbytným doplňkem moderní spotřební elektroniky a spustily éru moderních elektromobilů. Poptávka po lithiu od té doby roste a využití v bateriích dnes trhu dominuje: v roce 2020 zhruba 70 procent světové využití tohoto kovu směřovalo do výroby baterií. (Druhým nejčastější využití bylo právě ve sklo-keramickém průmyslu.)

Load More