Nebýt omezené kapacity akumulátorů, spalovací motory by těm elektrickým nemohly konkurovat, ani čistotou pro své okolí, ani účinností. Nová generace baterií by však měla tuto nevýhodu elektromobilů dokonale odstranit. Na závratný dojezd se můžeme těšit za sedm let.
Masivní nástup elektromobilů v příštích letech je takřka hotovou věcí, i když kapacita akumulátorů i jejich cena mají momentálně k dokonalosti ještě hodně daleko. Pokrok je však i na tomto poli zřejmý, stačí si vzpomenout na první elektromobilní pionýry v podobě Mitsubishi i-Miev a jeho francouzských derivátů.
Kombinace směšného dojezdu s neexistující infrastrukturou dobíjecích stanic odsoudila majitele těchto vozů do role bázlivců, kteří se raději nevzdalují od bezpečí své domácí zásuvky. Část z nich dokonce musela vyhledat pomoc psychiatra, protože při každém usednutí za volant trpěli stresem, zda dojedou do cíle. A jejich stavy dostaly dokonce pojmenování medicinským termínem „syndrom krátkého dojezdu“.
V současnosti probíhá intenzivní vývoj pevných baterií. Mohou být tenké, a přesto velmi výkonné
Články baterie mohou mít libovolný tvar a jsou navíc i do jisté míry pružnéOd těch dob se mnohé změnilo, především už není takový problém na cestách elektromobil dobít, aniž by kvůli tomu bylo nutné obtěžovat nevinné lidi sledující v televizi svůj oblíbený seriál. A také kapacita akumulátorů v elektroautech se průběžně zvětšuje, výrobci to elegantně řeší jejich zhušťováním: V praxi jsou tedy stále stejně velké a dobře pasují do stávajících aut, zároveň však pokaždé váží o pár desítek kilogramů víc. A právě vysoká hmotnost akumulátorů je jejich další nevýhodou ve srovnání s konvenčními palivy. Zatímco jeden kilogram benzinu vydá 12 000 Wh energie, současné akumulátory mohou kontrovat maximálně 170 Wh na kilogram.
Jak velký je tento nepoměr, lze nejlépe doložit na následujícím příkladu: Do akumulátorů Tesly S vážících 600 kg lze napěchovat 100 kWh elektřiny. To zní docela dobře, ve skutečnosti však tato energie odpovídá deseti litrům nafty. S touto zásobou Tesla ujede maximálně 500 kilometrů, moderní naftové auto na stejnou vzdálenost spotřebuje zhruba 25 litrů paliva, což odpovídá zhruba 20,5 kg. Tento příklad názorně ukazuje, že pro mobilní stroje by při současném stavu vývoje dávala větší smysl tekutá podoba primární energie, zatímco akumulátory by mohly dobře sloužit ve stacionárních zařízeních.
Hlavními funkčními celky akumulátoru jsou kladná a záporná elektroda, mezi nimi elektrolyt. Ten ve většině případů tvoří tekuté médium, které umožňuje pohyb iontů mezi oběma elektrodami. K tomu je zde ještě separátor – ten zamezuje zkratu mezi oběma elektrodami. Samotným úložištěm energie jsou takzvané aktivní vrstvy uložené v elektrolytu. Jejich chemickou reakcí na elektrodách je elektrická energie při nabíjení ukládána a při vybíjení uvolňována.
Právě vysoká hmotnost baterií je zvláště pro malé elektromobily problém, se kterým se musí konstruktéři vypořádat. Obvykle se jim to nepodaří zcela, což se odráží v manévrovatelnosti i komfortu pérování, které bývají ve srovnání s konvenčním modelem o něco slabší. Ale pro lokální bezemisní jízdy jsou i současné baterie dobrým, ne-li vůbec nejlepším řešením. V takovém případě nemusí mít závratnou kapacitu, a tím ani hmotnost.
To už jsme však v revíru hybridů, na jejichž vývoji většina automobilek intenzivně pracuje. Jejich propagátorem byla v minulosti hlavně Toyota, která při vývoji vsadila na niklmetalhydridovou baterii (Ni-MH). Ta je při srovnatelné hustotě energie zhruba třikrát menší a o polovinu lehčí než po desetiletí zdokonalovaná baterie olověná.
Mezitím se však na trhu prosadila baterie lithioiontová (Li-ion), kterou momentálně najdeme ve všech elektromobilech dostupných na trhu. Její výhodou je potenciální hustota energie, kterou mnohonásobně překonává až dosud používané typy akumulátorů. A k tomu navíc přidává vysokou dobíjecí účinnost přes 90 procent.
Komponenty lithioiontové baterie
- 1. Měděná fólie slouží pro odvod proudu z anody
- 2. Materiál anody tvoří lithium a uhlík
- 3. Lithiové ionty při vybíjecím cyklu
- 4.+5. Keramický separátor
- 6. Základem katody je hliník s nanesenou vrstvou lithia
- 7. Hliníková fólie pro odvod proudu z katody
- 8. Tekutý elektrolyt
Pro výrobu Li-ion akumulátoru je však třeba lithia, jehož celosvětové zásoby jsou odhadovány na 13–20 milionů tun. Není to mnoho, přesto by to mělo stačit na několik desítek let.
Pokles cen Li-ion baterií, jenž byl v minulých letech docela patrný, se však v poslední době zastavil. Nedá se tedy předpokládat, že by akumulátory v blízké budoucnosti výrazně zlevnily, můžeme se alespoň utěšovat skutečností, že jejich výroba představuje pro přírodu mnohem menší zátěž, než je produkce niklkadmiových nebo olověných baterek.
Po vítězném tažení v mobilních telefonech je tedy lithioiontová baterie jasným favoritem také pro blízkou automobilovou budoucnost. Východiskem pro tento předpoklad je elektrochemická řada napětí kovů (tzv. Beketovova řada kovů), ve které vykazuje lithium nejvyšší negativní potenciál – v kombinaci s uhlíkem slibuje napětí Li-ion článku 3,6 voltu a s ním i redukci počtu samotných článků a jejich rozměrů ve srovnání s ostatními typy baterií. A protože je zároveň i lehké, zdá se být pro použití v bateriích ideální.
První auto poháněné tekutou baterií je v provozu už čtvrtým rokem, jmenuje se QuantV současnosti lze u Li-ion baterií dosáhnout energetické hustoty 170 Wh/kg, v praxi je to však o něco méně. Vývoj jde ale kupředu, a tak lze během několika příštích let počítat s hustotou článků kolem 200 Wh/kg. K tomu by měly být lehčí, trvanlivější, snést větší zátěž a rychleji se nabíjet. Což na první pohled vypadá rozumně, zrealizovat to ale nebude vůbec jednoduché.
Protože současná podoba Li-ion baterií má své – z dnešního pohledu nepřekročitelné – limity, odborníci sázejí na novou generaci tzv. pevných nebo tenkovrstvých baterií. Jejich výhodou je možnost variabilně volit geometrii článků a také vysoká energetická hustota. K tomu jsou zde veškeré elektrochemicky aktivní komponenty baterie (tzn. anoda, katoda a elektrolyt, který v tomto případě slouží i jako separátor) ve formě ultratenkých vrstev vyrobených například se slitiny hliníku a lithia, grafitu nebo oxidu lithia a kobaltu.
Z čeho se skládá pevná baterie
Že pevná baterie v budoucnu nahradí konvenční lithioiontovou, se zdá být takřka jisté. Téměř všichni velcí výrobci aut (BMW, Mercedes, Renault-Nissan, Toyota nebo Volkswagen) si zajistili přístup k nové technologii, ať už vlastním vývojem, nebo spoluprací s technologickými firmami. Koncern VW například investoval 100 milionů dolarů do bateriového start-upu Quantum Scape.
Výhody pevné baterie vypadají slibně: nová generace akumulátorů bude mnohem menší a lehčí, k tomu má pojmout podstatně více energie – díky tomu auto zvládne ujet delší vzdálenost. Navíc je nehořlaváNáhrada tekutých elektrolytů pevnými přináší navíc mnohem vyšší provozní bezpečnost. Problémem současných lithioiontových baterií je riziko zkratu v tekutém elektrolytu mezi anodou a katodou, které hrozí především při extrémním toku nabíjecích nebo vybíjecích proudů. V některých případech může zkrat vést až k požáru, což právě konstrukce pevných elektrolytů úspěšně eliminuje.
Pevné baterie mají tedy nejlepší předpoklad pro další růst energetické hustoty při současné miniaturizaci celého systému. K tomu umožňují rychlejší nabíjení vyššími proudy a jejich energetická kapacita se konečně vyrovná plné nádrži nafty: Dojezd 1000 km na jedno nabití není v jejich případě z říše fantazie.
Než však budou pevné baterie zralé na sériovou výrobu, vyžádá si to ještě několik let vývoje a především masivní investice. Například Nissan a Toyota věří, že se jim to podaří do roku 2025, naproti tomu třeba německý Bosch z jejich dalšího vývoje před časem vycouval. A své rozhodnutí zdůvodnil poměrně stručně: Příliš drahé.
Tekutá baterie
Redoxní průtoková baterie není akumulátorem v pravém smyslu, daleko blíže má k vodíkovému článku, ve kterém jako v tomto případě dochází k výrobě energie chemickou reakcí. Zní to trochu jako science fiction, faktem však je, že tento typ baterie už čtyři roky pohání prototyp automobilu Quant. Šance na sériovou výrobu však nejsou, s ohledem na pokrok ve vývoji pevných baterií, nikterak vysoké.
Princip redoxního článku