V oblasti baterií, zejména pro mobilní přístroje, si lze snadno povšimnout rozporu mezi novinkami z výzkumu a přízemnější realitou kolem nás. V poslední době se sice objevily reportáže, že v oblasti baterií pro mobilní přístroje se hodlá více angažovat Google, současně ale právě baterie jsou tím, co se třeba na notebooku za posledních cca 15 let změnilo asi nejméně. Dávno zde měly být palivové články, ohebné baterie, pevné elektrolyty a řada dalších technologií – jak se ale zdá, tak zůstaly v laboratořích. Kde je problém?
Na naše otázky odpovídá Ing. Pavel Hrzina, Ph.D., odborný asistent na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT v Praze, konkrétně v Laboratoři diagnostiky fotovoltaických systémů.
Jaký vztah má Vaše pracoviště k bateriím, respektive k elektrochemii?
Naše skupina vznikla původně pouze jako laboratoř fotovoltaiky (více viz http://pasan.feld.cvut.cz/). Protože elektrochemickými zdroji se na naší katedře dlouhodobě zabývá Ing. Tomáš Cetl, který má v současné době status emeritního pracovníka, bylo potřeba zajistit pokračování elektrochemie na ČVUT FEL tak, aby byla zachována kontinuita tohoto oboru. Od toho se odvíjí i náš určitý posun od samotné fotovoltaiky k řešením hybridních systémů. Na rozdíl od pracovišť na VUT Brno se orientujeme pouze na aplikace zdrojů a jejich použití v interdisciplinárních oborech. Kromě aplikace se podstatnou stává i diagnostika elektrochemických zdrojů a tak jednou ze snah našeho týmu je vývoj spolehlivé, rychlé a nedestruktivní metody diagnostiky elektrochemických zdrojů.
Naše laboratoř je v současnosti vedena jako „studentská“ a speciálně elektrochemií se zabývá student magisterského studia Bc. Tomáš Reichl. Mým úkolem je udržovat laboratoř pro studenty v chodu, hledat nové nadějné studenty a těm pak pomáhat v práci. Mým hlavním oborem zůstávají systémové aspekty fotovoltaických systémů a diagnostika fotovoltaických panelů. Zájem o baterie mám tedy spíše z pohledu jejich energetické aplikace. Zastávám totiž názor, že v příštích letech to budou právě baterie, které dokáží významným způsobem změnit energetiku, a tak je nutné sledovat aktuální situaci v tomto oboru. Takovou první vlaštovkou může být třeba výstavba největšího komerčního battery parku v Evropě (viz zde). To, že právě baterie jsou pravděpodobně dalším vývojovým stupněm energetiky, je dnes již více než patrné.
Začněme třeba u vylepšování současných Li-ion baterií. Nakolik se vývoj bude podle Vás ubírat tímto směrem a nakolik půjde spíše o přechod na novou technologii?
Hned na úvod se přiznám, že jsem vášnivým čtenářem starších populárně-vědeckých časopisů, např. VTM z 80. let, ale i ještě starších. Podívejte se na tehdejší představy, kde bude technika za 10, 20, 30 či 50 let. Proč je všechno jinak a mnohde se vývoj jakoby zastavil? Obvykle zjistíte, že jakmile nějaké řešení dokáže splnit alespoň základní požadavky trhu, přestává se prakticky vyvíjet a je pouze aplikováno.
A ony ty lithium-iontové baterie vlastně vyhovují, vždyť dnešní chytrý telefon má bohatou funkčnost a energie přitom nějakou dobu vydrží. Proto se obávám, že Li-ion baterie budou pravděpodobně v příštích letech ve svém vývoji stagnovat a žádných převratných objevů se nedočkáme. Spíše se bude drobně zlepšovat technologie a zvyšovat produkce. Lze předpokládat, že vrcholem budou LiFePo4 (lithium-železo-fosfátové) baterie za velmi příznivou cenu. Z hlediska životnosti budou baterie kopírovat morální životnost použitých zařízení (maximálně 2-5 let). Ale to už víceméně platí i dnes.
Jak se výrobci snaží snížit cenu
Dříve cena Li-ion baterií začínala na 500 $ za 1 kWh, dnes se pohybuje cena baterie schopné uložit 1 kWh okolo 350 $ do dvou let by cena měla klesnout pod hodnotu 200 $. Je vidět, že během pár let klesla cena skoro o polovinu. K dosažení k teoretické hustoty energie pro tento typ baterií (448 Wh/kg) jsme se nepřiblížili. Dnešní baterie dosahují hustot energie v rozmezí 200 Wh/kg až 250 Wh/kg. Pouze primární články na bázi lithia mají hustotu energie na hranici 300 Wh/kg.
Já vidím jako perspektivní technologie metal-air baterie a hliníkové baterie. Tyto technologie jsou sice na svém počátečním vývoji a situace je obdobná jako u Li-ion baterií před několika lety, ale již dnes lze u nich vypozorovat několik výhod. Tyto technologie slibují nízkou cenu, několikrát větší kapacitu a také několikrát větší výkony a jako další benefit i rychlejší nabíjení a vybíjení. Proč tomu tak je? Například u hliníkové baterie se do elektrochemické (oxidačně-redukční) reakce zapojí 3 valenční elektrony na místo jednoho valenčního elektronu u lithia. Metal-air baterie zase ke své konstrukci potřebuje jenom jednu elektrodu, druhá elektroda je tvořena vzduchem.
(Bc. Tomáš Reichl)
Jaká konkrétní vylepšování pokládáte za uskutečnitelná? V poslední době se objevily např. tyto nápady: elektroda přímo z lithia, použití sodíku místo lithia a elektrody z křemíku namísto uhlíku (spolu s otázkami mechanické odolnosti).
Veškeré vylepšování musí jít směrem ke snižování ceny a zvyšování odolnosti. Poměrně poučný příklad z fotovoltaiky: Klasické krystalické moduly dosahují stádia, kdy je plně zvládnutá výroba a cena je příznivá. Další novinky v tomto oboru již nemají šanci a ke změnám na trhu dojde pouze v případě velmi významného objevu nebo státních zásahů (viz zákaz žárovek a z toho vyplývající rozvoj technologie LED).
Lithium byla revoluční baterie v době olověných a niklových akumulátorů. Pomohla v rozvoji elektromobilů a velkých aplikací pro skladování elektrické energie. Jak už jsem uvedl, velkou perspektivu pro další rozvoj do budoucna nevidím, a to ani pro její modifikace typu elektroda přímo z lithia, použití sodíku místo lithia a elektrody z křemíku namísto uhlíku. Tento typ baterie se bude stále potýkat s bezpečnostními problémy a konstrukčními hranicemi lithia. Lithium byl další krok ke zlepšení a posunutí hranic baterií, dnes se dostává do stádia masového komerčního využití a v něm může klidně zůstávat po stejnou dobu, po jakou tu s námi byla klasická žárovka.
Současná věda hledá další řešení, příkladem budiž hliníková baterie, metal air, redox baterie, sodíkové baterie. Zda ale dojde k další revoluci již za pár let nebo zda budeme čekat několik desetiletí, zůstává otázkou.
Co jiné trendy? Zmiňují se pevné elektrolyty. Je tu grafen, fullereny nebo uhlíkové nanotrubičky: má jít o materiály skoro univerzální, mohou se nějak uplatnit i v elektrochemii?
Pevné elektrolyty budou pravděpodobně narážet především na problémy spojené s mechanickými vlastnostmi. V případě pastových a tekutých elektrolytů je baterie odolnější proti úderům (pádům).
Nanotechnologie nám umožní výrobu materiálů s velkým efektivním povrchem, což v chemii znamená větší možnost vzájemné reakce. Problémem ale opět bude mechanická odolnost takových materiálů a jejich negativní vlastnosti. Například nežádoucí kapacitní jevy u nanotrubiček, případně problémy s ucpáváním membrán v systémech využívajících vzduch.
Asi před 8 lety se psalo o palivových článcích, výměnných kazetách s metanolem nebo dokonce o využití vodíku… Proč se to neprosadilo?
Palivové články obsahují příliš mnoho komponent s omezenou životností. Bývají citlivé na čistotu vstupních chemikálií (paliva). U technologií, kde se ke spalování používá kyslík získávaný ze vzduchu, je navíc například problémem použití vhodných prachových filtrů.
U vodíku se pak k tomu navíc přidává i otázka skladování, to dnes ostatně limituje i roli vodíku jako pohonu automobilů.
Souhlasíte s tvrzením, že baterie je dnes na mobilních zařízení tou nejkonzervativnější technologií? Myslíte, že to tak zůstane i v příštích letech?
Všichni dodavatelé technologií jsou v současnosti závislí na několika výrobcích baterií. LiFePo4 baterie je dnes možno jednoduše vyrábět v různých tvarech a kapacitách a jejich cena začíná být příznivá. Ekonomika zde tedy limituje zavádění novinek.
Tahounem pro nové baterie budou podle mého názoru ne mobilní přístroje, ale spíše energetika. Zde je poptávka po úložných zařízeních (energy storage), které dokáží efektivně ukládat a skladovat obrovské objemy energie generované při „píku“ obnovitelných zdrojů. To se ale dostáváme do jiné oblasti, než je nabíjení běžné elektroniky.
Abych to shrnul, myslím, že fantazie o ohebných bateriích a článcích s hustotou energie na úrovni benzínu a životností v desítkách tisíc nabíjecích cyklů jsou nereálné. Baterie budoucnosti (alespoň té bližší) budou podle mého odhadu na úrovni dnešní AA baterie s kapacitou kolem 4 Ah, založené na mírně modifikované LiFePo4 technologii a životností kolem 3 let běžného provozu.
