Image
9.5.2019 1 Comments

Ako možno dosiahnuť ďalší veľký prielom v oblasti batérií

Prečo už každý nejazdí v elektromobiloch? Pretože ich batérie sú drahé, a tak aj počiatočné náklady na elektrické auto sú oveľa vyššie ako na podobný model poháňaný benzínom. A ak nejazdíte veľa, úspory na benzíne nevykompenzujú vysokú kúpnu cenu.

Podobne súčasné batérie neposkytujú dostatočnú energetickú hustotu, aby sa dali použiť aj pre dopravné lietadlá. Na to, aby sa tak stalo, potrebujeme zásadný prielom v technológii batérií. Napriek tomu, že prvá batéria bola vynájdená v roku 1799, ani po viac ako dvoch storočiach dôkladného štúdia vedci stále nerozumejú mnohému z toho, čo sa v týchto zariadeniach presne deje. No vieme, že v podstate treba vyriešiť tri problémy, aby batérie skutočne zmenili náš život: výkon, energiu a bezpečnosť.

Lítiovo-iónová batéria nie je vhodná pre zariadenia všetkých veľkostí
Každá batéria má dve elektródy: katódu a anódu. Väčšina anód lítiovo-iónových batérií je vyrobená z grafitu, ale katódy sú zhotovené z rôznych materiálov v závislosti od toho, na čo sa batéria použije. Na obrázku môžete vidieť, ako rôzne materiály katódy menia výkon jednotlivých typov batérií v šiestich veľkostiach.

Problém energie
Ak hovoríme o batériách, je dôležité rozlišovať medzi výkonom a energiou. Výkon je vlastne rýchlosť, ktorou môže byť energia uvoľnená. Batéria, ktorá je dostatočne silná na to, aby umožnila lietadlu vzlietnuť a udržala ho vo vzduchu na vzdialenosť 1000 km, musí mať veľa energie a musí ju dokázať uvoľniť za veľmi krátky čas, najmä počas vzletu. Riešenie problému s energiou vyžaduje, aby sme sa pozreli bližšie na komerčné batérie. Nové technológie batérií často vyvolajú prehnaný rozruch, pretože väčšina ľudí si neuvedomuje detaily.

Najpokročilejšia chemická batéria v súčasnosti lítiovo-iónová. Väčšina odborníkov súhlasí s tým, že žiadna iná chemická batéria ju nevytlačí počas ďalších desiatich rokov. Lítiovo-iónová batéria má dve elektródy (katódu a anódu) so separátorom (materiál, ktorý vedie ióny, ale nie elektróny, čo je určené na zabránenie skratu), medzi nimi je elektrolyt (zvyčajne kvapalný) na umožnenie spätného prúdenia iónov lítia medzi elektródami. Keď sa batéria nabíja, ióny sa pohybujú od katódy k anóde; keď sa niečo napája z batérie, ióny sa pohybujú v opačnom smere.

Predstavte si dva nakrájané bochníky chleba, pričom každý z nich je elektróda: ľavý je katóda a pravý anóda. Predpokladajme, že katóda sa skladá z plátkov niklu, mangánu a kobaltu (NMC) a anóda je tvorená grafitom, čo sú v podstate vrstvy atómov uhlíka. Vo vybitom stave (po odčerpaní energie) má bochník NMC lítiové ióny vložené medzi každý plátok. Keď sa batéria nabíja, všetky lítiové ióny sú vytiahnuté spomedzi plátkov a nútené prejsť kvapalným elektrolytom. Separátor pôsobí ako kontrolný bod, ktorý zabezpečuje, že do grafitového bochníka prechádzajú len ióny lítia.

Keď je batéria úplne nabitá, na katódovom bochníku batérie sa nenachádzajú žiadne ióny lítia; všetky budú elegantne uložené medzi plátkami grafitového bochníka. Keď sa energia z batérie spotrebúva, ióny lítia sa vracajú na katódu. Kapacita batérie je určená v podstate tým, ako rýchlo sa tento proces udeje. No nie je také jednoduché zvýšiť jeho rýchlosť. Prirýchle odčerpávanie iónov lítia z katódového bochníka môže spôsobiť, že v plátkoch vzniknú chyby a napokon sa rozpadnú. To je jeden z dôvodov, prečo po dlhšom používaní smartfónu, notebooku či elektromobilu batéria degraduje. Každé nabitie a vybitie spôsobí, že bochník trochu zoslabne.

Na riešení problému pracujú rôzne spoločnosti. Jedna idea je nahradiť vrstvené elektródy niečím štrukturálne silnejším. Napríklad švajčiarska spoločnosť Leclanché pracuje na technológii, ktorá využíva ako katódu fosforečnan lítno-železitý, ktorý má „olivínovú“ štruktúru, a ako anódu oxid titaničito-lítny, ktorý má „spinelovú“ štruktúru. Tieto štruktúry sú lepšie pri manipulácii toku iónov lítia. Leclanché v súčasnosti využíva svoje akumulátorové články v autonómnych skladových vysokozdvižných vozíkoch, ktoré môžu byť nabité na 100 % za deväť minút. Na porovnanie, najlepší supercharger môže nabiť elektromobil Tesla za 10 minút na 50 %.

Ako ukazuje príklad spoločnosti Leclanché, s chemikáliami batérií sa možno pohrať, aby sa zvýšil ich výkon. Napriek tomu nikto ešte nevytvoril batériu, ktorá by bola dostatočne výkonná na to, aby rýchlo dodala energiu potrebnú pre komerčné lietadlo. Startupy sa snažia zostrojiť menšie lietadlá (s kapacitou do 12 osôb), ktoré by mohli lietať na batérie s relatívne nižším výkonom, alebo pracujú na elektrických hybridných lietadlách, kde palivo urobí ťažkú prácu pri vzlete a akumulátory poslúžia epočas letu. Ani jedna firma však nie je blízko ku komercializácii svojej technológie.

Cena elektromobilu Tesla Model 3, čo je najdostupnejšie vozidlo spoločnosti, sa začína na 35 000 dolároch. Obsahuje 50 kWh batériu, ktorá stojí približne 8750 dolárov, čo je 25 % z ceny vozidla. Pritom to už možno považovať za nízku cenu. Podľa agentúry Bloomberg priemerné globálne náklady na lítiovo-iónové batérie v roku 2018 predstavovali približne 175 USD za kWh, no v roku 2010 to bolo takmer 1200 USD za kWh. Podľa amerického ministerstva energetiky, keď náklady na batérie klesnú pod 125 USD za kWh, vlastnenie a prevádzka elektrického vozidla budú lacnejšie ako benzínového auta.

Jeden zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je zvýšenie energetickej hustoty batérií – aby sa do batériového agregátu napchalo viac kWh bez zníženia ceny. Pri chemickej batérii to možno teoreticky dosiahnuť zvýšením hustoty energie buď katódy, alebo anódy, prípadne oboch. Najviac energeticky hustá katóda smerujúca ku komerčnej dostupnosti je NMC 811 (číslice znamenajú pomer niklu, mangánu a kobaltu v zmesi). Jej najväčší problém je v tom, že znesie len relatívne malý počet cyklov nabitia a vybitia predtým, než prestane fungovať.

Odborníci však predpovedajú, že problémy NMC 811 by sa mali vyriešiť v priebehu nasledujúcich piatich rokov. Keď sa to stane, batérie využívajúce NMC 811 budú mať vyššiu hustotu energie o 10 alebo viac percent. Zvýšenie o 10 % však nie je až taký veľký úspech. Hoci inovácie v posledných niekoľkých desaťročiach posunuli hustotu energie katód vyššie, najväčšie možnosti na zvýšenie energetickej hustoty sú na strane anódy. Grafit zostáva dominantným materiálom anódy. Je lacný, spoľahlivý a relatívne energeticky hustý v porovnaní so súčasnými katódovými materiálmi. No je dosť slabý v porovnaní s inými potenciálnymi materiálmi anódy, ako je kremík a lítium. Napríklad kremík je teoreticky omnoho lepší pri absorbovaní iónov lítia ako grafit. Preto sa niektoré spoločnosti snažia pridať do dizajnu anódy ku grafitu kremík.

Väčším pokrokom by bolo vyvinúť komerčne životaschopnú anódu vyrobenú úplne z kremíka. No niektoré vlastnosti tohto prvku to sťažujú. Keď grafit absorbuje ióny lítia, jeho objem sa príliš nemení. No keď to robí kremíková anóda, narastie na štvornásobok pôvodného objemu. Nanešťastie nemožno zväčšiť puzdro tak, aby sa prispôsobilo takému nárastu objemu, pretože expanzia naruší tzv.  pevnú elektrolytovú medzifázu (SEI - solid electrolyte interphase). SEI si môžeme predstaviť ako druh ochrannej vrstvy, ktorú si vytvára anóda, tak ako železo tvorí hrdzu (oxid železitý), aby sa chránilo pred živlami. Keď necháte kus novo kovaného železa vonku, pomaly reaguje s kyslíkom vo vzduchu na hrdzu. Pod vrstvou hrdze netrpí zvyšok železa a zachováva si tak štrukturálnu integritu.

Na konci prvého nabíjania batérie si elektróda vytvorí vlastnú vrstvu „hrdze“ – SEI – oddeľujúcu neerodovanú časť elektródy od elektrolytu. SEI zastaví ďalšie chemické reakcie a zabezpečí, aby ióny lítia mohli prúdiť čo najhladšie. No pri kremíkovej anóde sa SEI rozpadne zakaždým, keď sa batéria používa na napájanie niečoho. Počas každého nabíjacieho cyklu sa spotrebuje trochu kremíka, až napokon batéria prestane fungovať. V posledných rokoch pracuje na riešení tohto problému niekoľko startupov zo Silicon Valley. Napríklad Sila Nano chce zapuzdriť atómy kremíka do nanoškrupiny s prázdnym priestorom vnútri. Tak sa SEI vytvára na vonkajšej strane škrupiny a expanzia atómov kremíka sa deje vnútri bez narušenia SEI po každom cykle nabíjania a vybíjania. Spoločnosť hovorí, že jej technológia bude pripravená poháňať zariadenia už v roku 2020.

Spoločnosť Enovix zasa uplatňuje špeciálnu výrobnú techniku, ktorá vyvíja na kremíkovú anódu obrovský fyzický tlak, čo ju núti absorbovať menej lítiových iónov, čím sa obmedzí jej expanzia a zabráni sa narušeniu SEI. Firma, do ktorej investoval Intel aj Qualcomm, očakáva, že do roku 2020 sa jej batérie objavia v zariadeniach. Takéto kompromisy však znamenajú, že kremíková anóda nemôže dosiahnuť svoju teoretickú vysokú hustotu energie. No obe spoločnosti tvrdia, že ich anódy fungujú lepšie ako grafitová anóda.

Vtesnávanie čoraz viac energie do batérií však môže byť na úkor ich bezpečnosti. Od svojho vynálezu je lítiovo-iónová batéria známa tým, že sa často vznieti. Z nedávnej minulosti poznáme explózie Li-ion batérií smartfónov Samsung Galaxy Note 7 vo vreckách ľudí. Vyústilo to do stiahnutia smartfónu z trhu, čo stálo juhokórejskú spoločnosť 5,3 miliardy dolárov.

Dnešné lítiovo-iónové batérie sú stále rizikové, pretože ako elektrolyt takmer vždy používajú horľavé kvapaliny. Riešením by mohlo byť použitie pevných elektrolytov. To však znamená iné kompromisy. Tekutý elektrolyt je totiž v kontakte s každým kúskom elektród, čím je schopný efektívne prenášať ióny. S pevnými látkami sa to dá dosiahnuť oveľa ťažšie. Doteraz sa komerčné použitie lítiovo-iónových batérií s pevnými elektrolytmi obmedzilo na aplikácie vyžadujúce nízky výkon, napríklad na senzory pripojené na internet.

Snahy o vytvorenie batérie bez kvapalného elektrolytu možno rozdeliť do dvoch skupín – jedna využíva tuhé polyméry pri vysokých teplotách, druhá keramiku pri izbovej teplote. Polyméry sú dlhé reťazce spojených molekúl. Keď sa niektoré typy polymérov zahrejú, správajú sa ako kvapaliny (majú vysokú iónovú vodivosť), ale bez horľavosti kvapalných elektrolytov používaných vo väčšine batérií. No majú aj obmedzenia. Môžu pracovať iba pri teplotách nad 105 °C, čo znamená, že sa prakticky nedajú použiť pre smartfóny. Môžu sa však využiť napríklad na uskladnenie energie z rozvodnej siete v domácich batériách.

V poslednom desaťročí sa ukázalo, že dve triedy keramiky - LLZO (lítium, lantán a oxid zirkoničitý) a LGPS (lítium, germánium, sulfid fosforitý) – vedú pri izbovej teplote ióny takmer rovnako dobre ako kvapalina. Toyota aj startup QuantumScape pracujú na nasadzovaní keramiky do lítiovo-iónových batérií. Zapojenie veľkých hráčov môže naznačovať, že prielom môže byť bližší, než si mnohí myslia. Batérie sú už veľký biznis a ich trh neustále rastie. Točí sa tu veľa peňazí, ktoré priťahujú veľa podnikateľov s ďalšími nápadmi.

Batériové startupy sú však ešte zložitejšia stávka ako softvérové spoločnosti, ktoré sú známe vysokou mierou zlyhania. Zistilo sa totiž, že ak sa chemici snažia zlepšiť jednu vlastnosť  (napr. hustotu energie), musia sa uchýliť ku kompromisu v inej oblasti (napr. v bezpečnosti). Toto balansovanie spôsobuje, že pokrok je pomalý a plný problémov. No vzhľadom na to, že napr. v USA je dnes trikrát viac batériových vedcov ako pred 10 rokmi, šance na úspech stúpajú. Potenciál batérií je obrovský, ale vzhľadom na výzvy, ktorým čelíme, treba brať každé tvrdenie o nových prelomových batériách s riadnou dávkou skepticizmu.

Zdroj: qz.com.

Zobrazit Galériu
Autor: Redakcia

Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Technológie

Elon Musk: Pickup Tesla bude vyzerať ako zo sci-fi filmu

14.06.2019 00:05

Elon Musk na tohtoročnom stretnutí s akcionármi hovoril o úsilí spoločnosti Tesla dostať sa do banského priemyslu, aby získala vzácne kovy potrebné na výrobu batérií. A zmienil sa aj o pripravovanom p ...

Technológie

Video: Elektromobily budú musieť pri pomalej jazde vydávať umelý hluk

10.06.2019 00:15

Od 1. júla budú všetky elektrické vozidlá so štyrmi alebo viacerými kolesami v EÚ povinné vydávať umelý hluk na úrovni minimálne 56 decibelov, ak budú jazdiť rýchlosťou 20 km/h alebo nižšou. Je to tak ...

Technológie 2

Video: Preteky dvoch Tesiel – jednej v premávke, druhej v podzemnom tuneli

04.06.2019 00:20

V roku 2016 prišiel Elon Musk s myšlienkou rýchlejšej dopravy v rušných mestách – v podzemí. Čoskoro jeho firma Boring Company začala s budovaním podzemných tunelov, ktoré sú dostatočne široké na to, ...

q

1 Comments

  1. ... treba vyriešiť tri problémy, aby batérie skutočne zmenili náš život: výkon, energiu a bezpečnosť. reakcia na: Ako možno dosiahnuť ďalší veľký prielom v oblasti batérií
    9.5.2019 08:05
    4 problémy. Tá najdôležitejšia je životnosť batérie
    Reagovať

SWAN_062019

Videá



PC forum button