Jaké baterie nás čekají v budoucnosti?

Baterie jsou stále důležitější. Všímáme si toho při naší každodenní práci, protože poptávka po domácích a komerčních úložištích neustále roste. Jsou však baterie udržitelné? Jaké typy článků existují? Jak se bude trh vyvíjet v budoucnu?

Recyklovatelnost baterií

Při prvním pohledu na použité suroviny a výrobní procesy baterie by se mohlo zdát, že není ani moc udržitelná, ani šetrná k životnímu prostředí. Obsahuje nedostupné a vzácné suroviny, jako je kobalt, lithium nebo mangan. Těžba i zpracování těchto materiálů má někdy velké sociální a environmentální dopady.

Nelze ale pominout zásadní aspekty – baterie pomáhají řešit závislost na fosilních palivech a jsou díky technickým pokrokům stále udržitelnější. Výběr materiálů se více zaměřuje na snadno dostupné a nekritické zdroje, např. sodík. Také těžba materiálů je stále šetrnější k životnímu prostředí – učíme se z chyb.

Věděli jste, že těžba lithia v Chile je k životnímu prostředí šetrnější? Dříve se solanka (obsahující lithium) čerpala na povrch a skladovala v obrovských nádržích, dokud se voda neodpařila. Takový proces způsobil pokles hladiny podzemní vody.

V současnosti se lithium získává přímo ze solanky a vrací zpět do země.

Co se stane po skončení životnosti baterie? Lze bateriové moduly recyklovat?

Více než 96 % materiálů použitých v bateriovém modulu recyklovat lze. Doposud se lithiové baterie po skončení životnosti většinou spalovaly a následně rozemílaly, aby se z nich získaly některé suroviny; například kobalt, nikl a měď. Nyní je populárnější tzv. mechanický hydrometalurgický proces.

Vypadá následovně:

1. Modul baterie se rozemele.
2. Smíšené suroviny se třídí pomocí několika složitých třídicích procesů, s ohledem na potřeby trhu. Postup je vhodný pro průmyslové využití a několik společností již tento proces úspěšně používá!

V Česku měla být postavena u Plzně továrna na baterie firmy Volkswagen. Koncern se ale rozhodl plány prozatím odložit na neurčito. Přednost pro výstavbu závodu dostala Severní Amerika, nabídla výhodnější podmínky.

Aktuálně probíhá výstavba továrny na v západní části sousedního Slovenska. Dle informací má začít produkovat baterie od konce roku 2024. Celkové investice dosáhnou nejméně 4,82 miliardy Kč. Svou první vlastní výrobu Li-Ion baterií buduje firma Porsche obci Horná Streda.

Podle nařízení EU o bateriích musí být do roku 2030 recyklováno alespoň 70 % všech bateriových modulů. Nová pravidla například požadují zdvojnásobení recyklace lithia – těžba zatěžuje životní prostředí.

Nyní se blíže podíváme na bateriový článek

Ten hraje ústřední roli při ukládání i uvolňování energie. Akumulátorové články jsou většinou konstruovány v jednom z těchto provedení:

• Cylindrické (válcové)
• Prismatické
• Kapsové (připomínají kapsy s balenou kávou)

Typy baterií

Každá konstrukce má své výhody a nevýhody. Například válcový tvar umožňuje velmi vysokou objemovou hustotu energie na úrovni buněk a modulů. Kruhový tvar však vyplňuje prostor velmi neefektivně.

Z hlediska hustoty energie může bateriový článek v „pytlíkové“ struktuře držet krok s válcovým tvarem. Využití prostoru je efektivní, ale váčková struktura je velmi pružná, a proto se pod tlakem nafoukne.

Prismatické bateriové články mají sice nízkou hustotu energie, ale zároveň jsou velmi robustní a dobře využívají prostor.

Současné bateriové systémy a technologie článků

V současné době se pro ukládání elektrické energie ve stacionárních systémech používají především lithium-iontové (Li-Ion) akumulátory. Li-Ion bateriové systémy jsou snadno rozšiřitelné, mají dlouhou životnost, nenáročnou údržbu, vysokou hustotu energie, odolávají vysokým/nízkým teplotám a jsou méně citlivé na vlhkost než jiné bateriové systémy.

Aby se zvýšila bezpečnost Li-Ion bateriových článků a zabránilo se jejich většímu poškození, jsou instalovány následující prvky:

• PTC prvek (kladný teplotní koeficient): Přeruší elektrický kontakt s článkem, když se zahřeje, a může zabránit dalšímu přehřátí článku.
• Prvek CID (přerušení dodávky proudu): V případě přetlaku přeruší elektrický kontakt v článku.

Baterie typu lithium-nikl-kobalt-oxid hliníku (NCA) jsou známy od konce 90. let 20. století. Směs přináší více energie i vysoký výkon. U akumulátorových článků NCA je zajištěna větší bezpečnost v elektronických automobilech pomocí speciálních monitorovacích mechanismů. Přestože se pro výrobu používá málo kobaltu, je výroba bateriových článků NCA drahá. V automobilovém průmyslu se proto příliš nepoužívá.

Lithium-nikl-mangan-kobalt-oxidové (NMC) bateriové články lze vyrábět s různými vlastnostmi, protože poměr niklu, manganu a kobaltu se může měnit. Méně kobaltu = nižší náklady. Více niklu = vyšší hustota energie. Větší podíl manganu = zvýšení měrného výkonu. Tato flexibilita je velkou výhodou.

Lithium-železo-fosfátové (LFP) bateriové články nabízí vyšší vnitřní bezpečnost i hustotu výkonu. Skupiny prvků používané pro výrobu článků jsou lépe dostupné, což výrazně usnadňuje výrobní proces. Nevýhodou je rychlejší samovybíjení a nižší hustota energie ve srovnání s NCA a NMC bateriovými články.

	LFP	NCA	NMC
Hustota energie	Nízká	Vysoká	Střední
Rychlost nabíjení	Vysoká	Nízká	Střední
Výkon	Střední	Vysoká	Střední
Životnost	Vysoká	Střední	Střední
Náklady	Vysoká	Střední	Střední
Bezpečnost	Vysoká	Nízká	Střední
Dostupnost materiálů	Vysoká	Nízká	Nízká

 

Prognóza trhu společnosti GreenTech Media předpovídá, že podíl baterií NMC se bude snižovat a podíl baterií LFP se bude zvyšovat:

Takto vypadá trh s bateriemi a jeho budoucnost

Trh s bateriemi ukazuje na růst – jen v roce 2022 přibylo 214 000 domácích úložišť a přibližně 3 900 komerčních úložišť. Odhady počítají s poptávkou po 2 035 GW v roce 2030. Velká část z toho bude využita pro elektromobilitu. Aby bylo možné uspokojovat poptávku, probíhá výzkum levných a udržitelných alternativ k Li-Ion bateriím.

Vzhledem k potenciálu odvětví probíhá výzkum levných a udržitelných alternativ k lithium-iontovým bateriím. Malý výtah z projektů:

CATL – čínský výrobce sodíko-iontových (Na-ion) baterií (výroba od roku 2023)

V roce 2023 představí čínský výrobce Contemporary Amperex Technology (CATL) novou Na-Ion baterii. Zpočátku mají Na-Ion baterie nahradit olověné akumulátory ve spalovacích automobilech, ale ve střednědobém nebo dlouhodobém horizontu se budou používat i v elektromobilech. Tato technologie baterií zaujme velmi rychlou schopností nabíjení a kompatibilitou, což je pro elektromobily důležité. Společnost CATL rovněž vyvinula kombinaci Li-Ion a Na-Ion článků. Ta je vhodná pro technologii cell-to-pack výrobce a lze ji použít v e-automobilech bez bateriových modulů.

Hliníko-sirná baterie (Massachusettský technologický institut (MIT), USA)

Mezinárodní tým výzkumníků z Massachusettského technologického institutu (MIT) v USA vyvinul technologii hliníko-sirných baterií. Kromě hliníku a síry se k ukládání energie používá chloro-hlinitá sůl, která funguje jako izolační materiál. Četné testovací zkoušky ukázaly, že tato technologie baterií má vysokou rychlost nabíjení. Kromě toho je pro výrobu nutná jen 1/6 nákladů na Li-Ion baterie. Největší výhodou je ale téměř žádné nebezpečí požáru.

Cerenergy – levná alternativa k Li-Ion bateriím?

Fraunhoferův institut pro keramické technologie a systémy IKTS založil společný podnik. Technologie článků se řadí pod značku „Cerenergy“. Nová technologie neobsahuje lithium, kobalt, grafit ani měď. Mohly by se tak omezit nedostatkové suroviny a problémy s dodavatelským řetězcem. Podle výzkumníků jsou výrobní náklady přibližně o 40 % nižší než náklady na Li-Ion baterie. Hlavními součástmi baterií Cerenergy jsou obyčejná sůl nebo baterie Na/NiCl2 a Na/S. Nově vyvinuté akumulátory Cerenergy ACB60 mají údajně delší životnost a jsou schopny dodávat uloženou energii po delší dobu.

Závěr

Pokud jde o udržitelnost bateriových systémů, ušli jsme už dlouhou cestu. Pokud srovnáme současné technologie těžby a recyklace zdrojů s technologiemi před několika lety nebo desetiletími, i celé odvětví udělalo velký pokrok. Konstrukce článků dosáhla také velmi vysokého standardu bezpečnosti a výkonu. Abychom mohli nabídnout vhodné řešení pro každou aplikaci, potřebujeme kombinaci různých bateriových technologií.

Shrnutí:

• Bateriové systémy jsou stále udržitelnější.
• Mezi nejčastější provedení patří: cylindrické, prizmatické a pytlíkové.
• V současné době převládají Li-Ion baterie a mezi nimi zejména: chemické články NMC, NMA a LFP.
• Vývoj alternativ k Li-Ion bateriím je stále důležitější.