Akumulátorové systémy budoucnosti: Cesta od lithium-iontových článků k novým technologiím
Zdroje elektrické energie – akumulátory – jsou zatím jednoznačně nejdůležitější konstrukční částí elektromobilu. Kromě co nejvyšší hustoty energie jsou zásadními i další aspekty, jakými jsou bezpečnost, hmotnost a trvalá udržitelnost. Prof. Dr. Dr. Andreas Hintennach vede ve společnosti Daimler výzkum akumulátorových článků a v následujícím rozhovoru objasňuje základy aktuálních lithium-iontových článků a vysvětluje také, jaké budoucí technologie mají opravdu šanci.
Akumulátorový systém je klíčovým prvkem elektromobility. Odborníci společnosti Daimler z různých oborů se v rámci výzkumu a vývoje dennodenně zabývají všemi aspekty akumulátorové techniky, a to od jejích základů až po zralost řešení určených pro sériovou výrobu. Požadavky na ní kladené jsou přitom komplexní a liší se v závislosti na použití.
Při vývoji částečně hybridních pohonů s napětím 48 V, externě nabíjitelných (plug-in) hybridních pohonů nebo výhradně elektrických hnacích řetězců je totiž nutné se zaměřovat na odlišné hlavní aspekty. Andreas Hintennach poskytl zástupcům médií u digitálního kulatého stolu přehled o tomto velmi diskutovaném tématu a formou odpovědí na otázky seznámil účastníky s technickými základy a představil jim cíle výzkumu a vývoje společnosti Daimler.
Profesore Hintennachu, pracujete na výzkumu a vývoji akumulátorů, které jsou v současnosti „nosným“ tématem v oblasti elektromobility. Jak k tomuto tématu přistupuje Mercedes-Benz?
Akumulátorová technika je klíčovým komponentem elektromobility. Nejedná se přitom o standardní separátní produkt, ale o neoddělitelnou součást konstrukce automobilu. Proto pokrýváme veškeré fáze od základního výzkumu až po zralost pro sériovou výrobu. Mezi naše aktivity patří průběžná optimalizace aktuální generace lithium-iontových akumulátorových systémů, další vývoj článků nakupovaných na světovém trhu a výzkum nových generací akumulátorových systémů.
U akumulátorů pro elektricky poháněné automobily jde ale samozřejmě i o mnoho dalších záležitostí. Pracujeme také na systému řízení akumulátorů, což je vlastně komplexní počítač, jehož vlastnosti neustále optimalizujeme. Důležitým tématem je také řízení provozní teploty, které hraje významnou roli z hlediska životnosti a výkonnosti sady akumulátorů. Musíme opravdu dobře rozumět mechanismu těchto technologií, abychom mohli přijímat správná rozhodnutí.
Na co se v současnosti nejvíce zaměřujete?
Zatímco je náš zcela nový model EQC uváděn na jednotlivé trhy, my již připravujeme cestu pro příští generace výkonných elektricky poháněných vozidel. Lithium-iontové akumulátory jsou v současnosti nejčastěji používaným druhem akumulátorů v elektronice a elektromobilech. V nadcházejících letech bude tato technologie i nadále udávat tempo, ale očekávání jsou ještě mnohem vyšší. Co se týče oblastí výzkumu a vývoje, zabýváme se několika specifickými vůdčími principy.
Průběžně pracujeme na inovacích a alternativách, které přesahují možnosti lithium-iontových akumulátorů – v neposlední řadě z hlediska energetické hustoty a doby nabíjení, ale také s ohledem na trvalou udržitelnost. Například v zájmu komplexního posuzování z pohledu celého dodavatelského řetězce jsme navázali partnerství pro trvalou udržitelnost se společností Farasis Energy (Ganzhou) Co., Ltd.
Již pro příští generaci vozidel naší produktové a technologické značky EQ má být část akumulátorových článků vyráběna 100% s využitím elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Důsledně rozšiřujeme naše kompetence také pro technologické posuzování materiálů a článků, jakož i pro výzkumné a vývojové aktivity.
Jde tedy o mnohem víc, než je jen zvyšování kapacity sad akumulátorů v kWh?
Kapacita energie je samozřejmě důležitá. Neznamená však všechno. Pro nás je velmi důležitým faktorem bezpečnost. Změnami používaných materiálů by se mohlo dosáhnout vyšší kapacity – avšak na úkor bezpečnosti. Pro nás taková varianta nepřipadá vůbec v úvahu. Mercedes-Benz musí být měřítkem bezpečnosti, a to platí i pro jeho sadu akumulátorů. Jedním z našich vůdčích principů ve vývoji je také flexibilita.
Ve společnosti Daimler čekají na sady akumulátorů různé případy uplatnění, od osobních vozů smart a Mercedes-Benz přes lehké užitkové vozy až po autobusy a těžká nákladní vozidla – a to včetně 48V částečně hybridních pohonů, externě nabíjitelných hybridních pohonu i elektromobilů. A řešení, na nichž pracujeme, musejí být samozřejmě trvale udržitelná.
Jak důležitá je trvalá udržitelnost ve vývoji?
Trvalá udržitelnost se stala pro společnost Daimler hlavním principem ve všech vývojových aktivitách. Vzhledem k tomu, že je výroba automobilů materiálově velmi náročná, zaměřujeme se při vývoji mimo jiné i na to, aby byla spotřeba přírodních zdrojů co nejnižší. Současně se snažíme zvyšovat také transparentnost.
V průběhu vývoje vozidla sestavujeme pro každý model koncept recyklace, v němž jsou veškeré díly a materiály analyzovány z hlediska jejich vhodnosti pro cirkulární ekonomiku. U akumulátorů je tento koncept aplikován již v základním výzkumu. Cílem je zjistit, kde je možné nahradit, minimalizovat nebo efektivněji využívat drahé materiály.
Kromě toho od začátku zohledňujeme možnosti recyklace. Výroba akumulátorů je tak součástí komplexního přístupu, jehož cílem je vytvořit uzavřený kruh, tak zvanou cirkulární ekonomiku.
Jak vypadá ekologická bilance elektromobilů? Elektrický pohon má v porovnání s výrobou spalovacích motorů prokazatelně horší výsledky.
Výroba spalovacích motorů byla nepřetržitě optimalizována během uplynulých 133 let. Akumulátory a ostatně také palivové články začínají v současnosti sloužit s vyššími emisemi kvůli vyšší spotřebě energie. Jejich provoz je však výrazně hospodárnější.
A to v konečném součtu převáží. Dokonce i v případě, že se nepoužívá elektrická energie s neutrální bilancí emisí CO2, mají vozidla napájená z akumulátorů v rámci celého životního cyklu o 40 procent nižší emise než motory spalující benzin a o 30 procent nižší emise oproti motorům na naftu. V této bilanci přitom vůbec nejsou zohledněny naše ambiciózní cíle pro snižování emisí CO2 ve výrobě do roku 2039 a recyklace surovin, které se budou vracet do výrobního koloběhu.
Obojí přispěje k dalšímu zvýšení ekologické trvalé udržitelnosti našich vozidel a také k realizaci naší „Ambice2039“. Ale již dnes jsou vozidla z 95 procent recyklovatelná.
Jak dlouho bude ještě trvat, než vznikne reálný trh pro využívání recyklovaných surovin z elektromobility?
Za osm až deset let budou již pro recyklaci k dispozici významné počty akumulátorů z vozidel. Pak se budou do výrobního koloběhu vracet především kobalt, nikl, měď a později i křemík. Na to jsme již dnes velmi dobře připraveni, máme procesy a také možnosti, jak vracet recyklované suroviny zpět do výrobního koloběhu.
V současnosti tak již činíme mimo jiné s našimi zkušebními akumulátory. Vytvoření funkčního trhu s recyklovanými surovinami je pro Evropu důležité i z politického hlediska, protože má minimum vlastních primárních zdrojů. Děláme ale samozřejmě všechno pro to, aby akumulátory měly co nejdelší životnost a využitelnost.
Jaké materiály se používají v akumulátorech?
U lithium-iontových akumulátorů je konstrukce článků vždy podobná, ať se jedná o akumulátory pro mobilní telefon nebo elektromobil. Vždy obsahuje dvě fólie z kovu, například mědi a hliníku. Na jejich okrajích se nacházejí póly, katoda a anoda, mezi nimiž probíhá elektrochemická reakce. K tomu je zapotřebí kov s vysokou reaktivitou, jako je lithium.
Nejvyšší náklady připadají na složení katody, tedy kladného pólu akumulátorového článku. Tu tvoří směs niklu, manganu a kobaltu. U anody se používá grafitový prášek, lithium, elektrolyt a separátor.
A kde se uplatňuje již zmíněný výkonný křemík?
Křemík v budoucnosti dalekosáhle nahradí grafitový prášek. Tím se zvýší energetická hustota akumulátorů o dalších 20 až 25 procent. Křemík nám umožní použít na katodě materiály, které jsou neslučitelné s dnes používaným grafitem.
Představte si dvě sklenice. Pokud chcete přelít vodu z jedné sklenice do druhé, měla by být minimálně stejně velká, aby nic nepřeteklo. Podobně musejí být vyvážené anody a katody. Říkáme tomu balancování. Křemík se bude používat také z důvodu dalšího zrychlení nabíjecího procesu.
Důležitým, často zmiňovaným tématem je kobalt, s jehož těžbou je opakovaně spojováno porušování lidských práv a poškozování životního prostředí, a to zejména tehdy, pochází-li z Konga. Co proti tomu dělá Daimler?
Vyvinuli jsme přístup, jehož cílem je, aby dodavatelé splňovali naše požadavky na trvalou udržitelnost. V rámci toho vytváříme mimo jiné větší transparentnost v dodavatelském řetězci. Za tím účelem jsme pověřili externí auditorskou společnost, která zajišťuje transparentnost na všech stupních dodavatelského řetězce kobaltu podle standardů OECD včetně průběžných kontrol.
Elektromobilita je totiž opravdu trvale udržitelná pouze tehdy, když i těžba surovin bude probíhat za trvale udržitelných podmínek.
Jiná strategie směřuje k náhradě kobaltu jinými, méně problematickými materiály…
Ano, i tuto možnost zkoumáme. U aktuální generace akumulátorových článků se nám podařilo snížit podíl kobaltu v aktivním materiálu (nikl, mangan, kobalt a lithium) z cca jedné třetiny na méně než 20 procent. V laboratoři v současnosti pracujeme s méně než deseti procenty a výhledově se bude tento podíl dále snižovat.
I po chemické stránce je velmi žádoucí, abychom od kobaltu, pokud možno, zcela ustoupili. Čím jednodušší je směs materiálů, o to snadnější a efektivnější je také recyklace. Navíc klesá spotřeba energie při chemické výrobě, protože výroba směsi je snadnější.
Co bude následovat po kobaltu a dalších materiálech, jako je lithium?
To jsou materiály, které se orientují především na mangan, z ekologického hlediska neškodnou surovinu se snadným zpracováním. Pro mangan již existuje vynikající systém recyklace, protože v podobě alkalických článků (elektrické články, které nelze opakovaně nabíjet) se používá již po desetiletí. Úkolem výzkumu je umožnit u tohoto typu elektrických článků opakované nabíjení.
Vycházíme z toho, že tato technologie bude připravena k uvedení na trh ve druhé polovině 20. let 21. století. Další alternativou je lithium-sírový akumulátor. Síra je odpadním produktem průmyslu, který nestojí téměř nic, je velmi čistý a nechá se dobře recyklovat.
Staví před nás velké výzvy ohledně energetické hustoty, výhodou je však bezkonkurenční ekologická bilance. Nicméně může trvat ještě roky, než bude tato technologie k dispozici pro osobní automobily.
Kritizováno je také lithium. Bude možné i tuto surovinu nahradit?
Ano. Například akumulátory na bázi hořčíku a síry neobsahují žádné lithium. Hořčík známe z každodenního života v podobě vápna. Velkou výhodou je jeho dostupnost v libovolném množství. Například celá Švábská Alba je z vápence. V současnosti se však náš výzkum nachází ještě v laboratorní úrovni.
V současnosti tedy neexistují žádné brzké alternativy lithium-iontových akumulátorů?
Pro určité druhy použití alternativy existují. V těchto případech se jedná dokonce o technologie, které svými vlastnostmi lithium-iontové akumulátory překonávají. Mezi ně patří akumulátory s pevným elektrolytem, které budeme od poloviny roku 2020 používat v našem městském elektrobusu Mercedes-Benz eCitaro.
Tato technologie má velmi dlouhou životnost a navíc neobsahuje kobalt, ani nikl, nebo mangan. Má však nižší energetickou hustotu. Proto jsou tyto akumulátory relativně velké a navíc je není možné rychle nabíjet. Jsou tedy dobře využitelné pro užitková vozidla, nikoli však pro osobní vozy. V nich nás budou ještě řadu let doprovázet lithium-iontové akumulátory.
Co se stane příštím „svatým grálem“? Jsou akumulátory s pevným elektrolytem budoucností?
Technologie, která nahradí lithium-iontové akumulátory, není jen jedna. Ať se jedná o články s pevným elektrolytem, anodami z lithia a kovu nebo lithium-sírové systémy, všechny technologie se vzájemně liší specifickými požadavky na materiály, možnostmi využití a v neposlední řadě i stupněm vyzrálosti. Každá technologie má své výhody a nevýhody.
Dobrou zprávou je skutečnost, že existuje mnoho způsobů, jak ve vývoji snížit riziko slepé uličky. Ne hned za rohem – ale ani v příliš vzdálené budoucnosti – se nyní nacházejí akumulátory, u nichž může být grafitová vrstva anody nahrazena novými materiály, jakými jsou například lithium-kovové fólie nebo křemíkový prášek. Obojí velmi výrazně zvyšuje energetickou hustotu.
Tím se prodlouží dojezd a podporováno by mohlo být dokonce i rychlé nabíjení. Všechny akumulátory s pevným elektrolytem nabízejí velké výhody v oblasti bezpečnosti, pracujeme však ještě na technologii rychlého nabíjení a na delší životnosti, abychom pak mohli s ohledem na naše osobní automobily říci: „Toto je technologie, kterou bychom nyní měli uvést na silnice.“
A jaké budou další kroky?
Lithium-síra je jedna možná alternativa. Pokud bychom v dnešních akumulátorech používaný nikl a kobalt nahradili sírou, mohli bychom výrazně zvýšit trvalou udržitelnost. Energetická hustota nabízí rovněž velký potenciál, ale životnost ještě není dostatečná, a bude ještě nějakou dobu trvat, než v této oblasti dojde k průlomu.
Akumulátory lithium-vzduch obsahují opravdu pouze lithium. Zbytek – tedy kyslík – je jednoduše přiváděn ze vzduchu. Z chemického hlediska je to podobný koncept, který používáme v palivových článcích na vodík. Energetická hustota by byla vynikající – ale tato technologie je spíše otázkou až vzdálenější budoucnosti.
S Vaším výzkumným vozidlem VISION AVTR jste učinili další krok, směřující do vzdálenější budoucnosti. Je technologie organických akumulátorů opravdu jednou z možností?
Mercedes-Benz prezentuje se studií VISION AVTR vizi trvale udržitelné mobility bez emisí – a to i v oblasti poháněcí techniky. Poprvé je revoluční akumulátorová technologie založena na organickém chemickém složení článků na základě grafenu (extrémně tenká forma uhlíku, strukturou podobná grafitu), a tím kompletně eliminuje vzácné, zdraví škodlivé a drahé materiály, jakými jsou kovy. Elektromobilita se tak stane nezávislou na fosilních zdrojích.
Naprostou revoluci přitom navíc představuje vzhledem k materiálovému složení stoprocentní recyklovatelnost kompostováním – je to ukázkový příklad budoucí cirkulární ekonomiky v oblasti surovin. Kromě exponenciálního nárůstu energetické hustoty ohromuje tato technologie také svými výjimečnými předpoklady pro rychlé nabíjení.
Organické akumulátory jsou v současnosti součástí našeho základního výzkumu. Bude sice ještě trvat řadu let, než budou moci být zařazeny do výbavy vozidel Mercedes-Benz – ale potenciál k tomu mají!
PR