Bude budoucnost baterií solidní?
ANEB: SOLID-STATE BATERIE A JEJICH PREMIÉRA U ELEKTROBUSŮ VE WIESBADENU
Otázka v nadpisu tohoto článku je všeříkající. Baterioví výrobci i vědci hledající výrazný pokrok v oblasti baterií se zaměřují na tzv. solid-state baterie. Solid znamená pevný, tuhý a označuje podobu elektrolytu, který je v solid-state bateriích použit. Dnes jsou známé běžně používané baterie lithium iontové (Li-Ion) a lithium polymerové baterie (Li-Pol) a nyní k nim přibývají slibné solid-state baterie.
Jaký je ale rozdíl a v čem by měly být solid-state baterie jedinečné? Všechny zmíněné technologie jsou akumulátory využívající lithium. Ani solid-state akumulátory tak nejsou bájným kamenem mudrců bateriového světa. Přináší však zásadní vylepšení. Abychom ho mohli pochopit, pojďme se blíže podívat na konstrukci všech tří typů.
Nejprve si ale připomeňme zdánlivě „známý a triviální“ princip fungování baterie: Základem baterie je galvanický článek, což je chemický zdroj elektrického napětí. Tvoří jej dvě elektrody – záporná anoda a kladná katoda – obklopené elektrolytem, tedy kapalným nebo tuhým roztokem vedoucím elektrický proud. Elektrické napětí je dáno rozdílem elektrických potenciálů na elektrodách, což platí nejen pro galvanické články. Elektrický potenciál na elektrodách vzniká v případě galvanických článků chemickou reakcí mezi elektrodou a elektrolytem. Jak je zřejmé, galvanický článek je zdrojem stejnosměrného napětí.
Hlavní odlišnost mezi jmenovanými typy lithiových baterií je v elektrolytu, které tyto tři technologie používají. Obrázek č. 1 ukazuje hlavní rozdíl mezi Li-Ion a solid-state baterií. U Li-Ion akumulátorů, dnes nejběžněji používaných akumulátorů v elektromobilitě, je elektrolyt tekutá chemická látka, u Li-Pol baterií je elektrolyt polymerový gel a u solid-state baterií je elektrolyt pevný.
Z obrázku je patrný rozdíl. Zatímco u Li-Ion baterií a vlastně i Li-Pol baterií je nutné propojovat jednotlivé články do sériového, resp. sério-paralelního zapojení, které se pak skládají do modulů, a ty do bateriových celků, u solid-state baterií je toto možné udělat uvnitř bateriového modulu i celého celku. A zde je to zásadní vylepšení. Méně materiálu na tělo článků znamená méně hmotnosti, méně objemu, a tím výrazně lepší hustotu energie (Wh/l) i specifickou energii (Wh/kg).
U všech tří typů baterií je stejná sloučenina lithia a dalších prvků, které pak deklarují, o jaký typ baterie se jedná a také její další vlastnosti (NMC, LFP, NCA atd.). U Li-Ion je pak anoda uhlíková s výjimkou LTO, kde je uhlíková anoda nahrazena anodou sloučeniny Li4Ti5O12, neboli lithium titan oxid. U Li-Pol baterií je katoda stejná jako u Li-Ion, a to platí i pro solid-state baterie. Už Li-Pol baterie přinášejí výhodu hmotnosti. Díky své konstrukci nepotřebují tak robustní materiál pouzdra článků, a tím přináší zásadní úsporu hmotnosti, kterou však solid-state baterie posunují ještě dále. Na obrázku č. 2 je vidět princip konstrukce lithiové baterie. Je zde znázorněn elektrolyt, který je od obou elektrod oddělen separátory. U solid-state baterií není separátor potřeba, neboť separátor je již sám elektrolyt.
Solid state baterie a jejich konstrukce tak přináší společně s významnou úsporou hmotnosti, resp. navýšením hustoty a specifické energie, také další zásadní vylepšení. Tím je bezpečnost. Na rozdíl od klasických Li-Ion baterií i při poškození si stále udržuje svoji formu, a tím výrazně zlepšuje bezpečnost v případě poškození, např. havárie. Solid-state baterie však stále naráží na svoje technická omezení. Prozatím je to ve srovnání s Li-Ion výrazně nižší množství cyklů, vyšší vnitřní odpor (a tím i vyšší ztráty při vysokých výkonech a nemožnost rychlého nabíjení) a špatná odolnost nízkým teplotám. Naproti tomu jde fakt, že ve srovnání s Li-Ion baterie mohou obsahovat dvakrát tolik energie ve stejné velikosti a to je dělá kandidátem na číslo jedna bateriové budoucnosti.
SOLID-STATE BATERIE U ELEKTROBUSŮ VE WIESBADENU
Využití v pravidelném provozu na elektrobusech zahájily solid-state baterie začátkem února 2021 v 280tisícovém německém městě Wiesbadenu. Tamní dopravce ESWE Verkehr uvedl do provozu 21 elektrobusů Mercedes eCitaro vybavených bateriemi s touto technologií.
eCitaro (viz foto níže) je 12m dlouhý elektrobus, ve standardní dvoudveřové verzi pro 88 cestujících. Solid-state baterie dodávané pro tento typ elektrobusu jsou tvořeny 6 bateriovými moduly o celkové kapacitě 387 kWh. Baterie jsou uloženy na střeše a v zadní části elektrobusu. Výrobce dodává i verzi se 7 bateriovými moduly o celkové kapacitě 441 kWh, jejíž přepravní kapacita je 74 cestujících, tedy o cca 8 % méně. V obou verzích je počet míst k sezení 29.
Podívejme se nyní na základě informací od výrobce na vztah chemického složení baterií a jejich kapacity vzhledem k prostoru pro cestující, který umožní využít. eCitaro je totiž také dodáváno s NMC bateriemi (o bateriích pro elektrobusy a jejich chemickém složení blíže v naší škole baterií zde).
NMC baterie v dvoudveřovém elektrobusu eCitaro se 6 standardními bateriovými moduly o celkové kapacitě 146 kWh dovolí přepravní kapacitu 85 cestujících. Ve variantě s 8 standardními bateriovými moduly o celkové kapacitě 194 kWh dovolí přepravní kapacitu 74 cestujících. Porovnejme to s výše uvedenými parametry elektrobusu se solid-state bateriemi. Vidíme, že při dané přepravní kapacitě elektrobusu umožní nasazení solid-state baterií zvýšit kapacitu zásobníku energie, a tím i dojezd, na jedno nabití, o cca 130 – 170 % oproti standardním NMC bateriím. Při vybavení elektrobusu NMC bateriemi s 33kWh články oproti standardním NMC bateriím s 24kWh články bude tento rozdíl činit cca 70 – 100 %.
Z toho, co bylo řečeno výše o solid-state bateriích, je zřejmé, že tuto technologii je efektivní použít v režimu nočního zásuvkového nabíjení pro celodenní provoz. Touto cestou jde i dopravce ESWE Verkehr. Součástí celého projektu Wiesbadenských elektrobusů je proto také nabíjecí základna v garážích Gartenfeldstraße (viz foto níže), vybavená inteligentním energetickým managementem přidělujícím konkrétní vozidla konkrétním linkám mj. podle aktuálního stavu nabití baterií. Předpokládá se, že při veškeré spotřebě elektrické energie pro vlastní jízdu i pro pomocná zařízení (tzv. netrakční spotřeba) ujede elektrobus eCitaro se solid state bateriemi ve Wiesbadenu na jedno nabití nejméně 200 km.
EXISTUJÍ DALŠÍ SLIBNÉ TECHNOLOGIE PRO BATERIE?
Existují. Velice slibnou technologií se zdá být lithium-síra, neboli Li-S. Princip konstrukce je velmi stejný jako u Li-Ion baterií, vlastně jde o lithium iontovou baterii. Lithium Iontové baterie mají typicky grafitové anody. Při vybíjení jsou z anody uvolňovány ionty lithia směřující ke katodě. Katoda je pak zpravidla složena ze sloučeniny lithia a nějakého kovu. U Li-S baterií nahrazuje právě sloučenina Li-S „kovovou“ katodu. Tím se výrazně sníží hmotnost baterie.
Specifická energie Li-S baterie může dosáhnout až na 550Wh/kg (viz Battery University, článek Future batteries, zveřejněno 8.9.2020, dostupný zde). Tyto baterie mají sice nižší napětí na článek (2,1 V), ale to je vyváženo právě velmi vysokou specifickou energií. Protiargumentem této technologie je prozatím velmi malý počet cyklů (okolo 50 nabíjecích cyklů), protože síra z katody je uvolňována a reaguje s anodou. Li-S se tak pravděpodobně v nejbližší době nestane „game-changer“ akumulace.
Velice zajímavá čísla prezentuje také bateriová technologie Lithium-vzduch. Tato technologie by teoreticky mohla být tím „svatým grálem“, který vědci hledají. Může totiž teoreticky akumulovat mnohem více energie než všechny současné technologie. Vědci vyzkoušeli podobný přístup jako u palivových článků s cílem vytvořit baterii, která bude využívat přístupu ke kyslíku. Konstrukce je pak taková, že baterie obsahuje stejně jako Li-Ion baterie elektrolyt, lithiovou anodu a katalytickou katodu poskytující chemické reakci v baterii kyslík. Teoretická čísla specifické energie zmiňují hodnoty 13 kWh/kg. To je padesátkrát více, než současné lithium iontové baterie s nejvyšší specifickou energií a stejně jako má benzín. Oproti benzínu však mají elektrické pohony s rekuperací minimální ztráty.
I přes tato velice slibná teoretická čísla prozatím není výhled na blízkou komercializaci, protože je potřeba vyřešit několik zásadních technických otázek. Jde především o návrh technického řešení s čističkou vzduchu, výrazné zlepšení cyklické životnosti a podobně jako u jiných baterií využívajících kyslík je potřeba vyřešit také specifický výkon (W/kg), který je u těchto baterií velice nízký, zejména za chladných teplot.
František Šťastný a redakce Smartcityvpraxi.cz
Foto © ESWE Verkehrsgesellschaft mbH