Svět potřebuje více energie, nejlépe ve formě, která je čistá a obnovitelná. Naše strategie skladování energie jsou v současnosti utvářeny lithium-iontovými bateriemi – na špičce této technologie – ale na co se můžeme těšit v příštích letech?
Začněme s některými základy baterie. Baterie je sada jednoho nebo více článků, z nichž každý má kladnou elektrodu (katodu), zápornou elektrodu (anodu), separátor a elektrolyt. Použití různých chemikálií a materiálů k tomu ovlivňuje vlastnosti baterie – kolik energie dokáže uložit a vydat, kolik energie může poskytnout nebo kolikrát je možné ji vybít a dobít (také nazývaná kapacita cyklu).
Výrobci baterií neustále experimentují, aby našli chemikálie, které jsou levnější, hustší, lehčí a výkonnější. Mluvili jsme s Patrickem Bernardem – ředitelem výzkumu Saft, který vysvětlil tři nové technologie baterií s transformačním potenciálem.
LITHIUM-IONOVÉ BATERIE NOVÉ GENERACE
Co je to?
V lithium-iontových (li-ion) bateriích je ukládání a uvolňování energie zajištěno pohybem iontů lithia z kladné na zápornou elektrodu tam a zpět prostřednictvím elektrolytu. V této technologii působí kladná elektroda jako počáteční zdroj lithia a záporná elektroda jako hostitel pro lithium. Několik chemických látek je shromážděno pod názvem li-ion baterie jako výsledek desetiletí výběru a optimalizace blízké dokonalosti pozitivních a negativních aktivních materiálů. Nejběžnějším materiálem používaným jako současné pozitivní materiály jsou lithiové oxidy kovů nebo fosfáty. Jako negativní materiály se používá grafit, ale také grafit/křemík nebo lithiové oxidy titanu.
Se skutečnými materiály a konstrukcemi článků se očekává, že li-iontová technologie v příštích letech dosáhne energetického limitu. Nicméně nedávné objevy nových rodin rušivých aktivních materiálů by měly odemknout současné limity. Tyto inovativní sloučeniny mohou uložit více lithia v kladných a záporných elektrodách a poprvé umožní kombinovat energii a výkon. Kromě toho se u těchto nových sloučenin také bere v úvahu nedostatek a kritičnost surovin.
Jaké jsou jeho výhody?
Dnes, mezi všemi nejmodernějšími technologiemi ukládání, technologie li-ion baterií umožňuje nejvyšší úroveň hustoty energie. Výkony, jako je rychlé nabíjení nebo teplotní provozní okno (-50 °C až 125 °C), lze doladit velkým výběrem designu článků a chemických látek. Li-ion baterie navíc vykazují další výhody, jako je velmi nízké samovybíjení a velmi dlouhá životnost a cyklické výkony, obvykle tisíce nabíjecích/vybíjecích cyklů.
Kdy to můžeme očekávat?
Očekává se, že nová generace pokročilých li-ion baterií bude nasazena před první generací polovodičových baterií. Budou ideální pro použití v aplikacích, jako jsou systémy skladování energie pro obnovitelné zdroje a dopravu (námořní, železniční, letecká a terénní mobilita), kde je vysoká energie, vysoký výkon a bezpečnost povinná.
LITHIUM-SÍRNÉ BATERIE
Co je to?
V li-ion bateriích jsou ionty lithia uloženy v aktivních materiálech, které během nabíjení a vybíjení fungují jako stabilní hostitelské struktury. V lithium-sírových (Li-S) bateriích nejsou žádné hostitelské struktury. Při vybíjení se lithiová anoda spotřebovává a síra se přeměňuje na různé chemické sloučeniny; během nabíjení probíhá opačný proces.
Jaké jsou jeho výhody?
Li-S baterie využívá velmi lehké aktivní materiály: síru v kladné elektrodě a kovové lithium jako zápornou elektrodu. To je důvod, proč je jeho teoretická hustota energie mimořádně vysoká: čtyřikrát větší než u lithium-iontů. Díky tomu se dobře hodí pro letecký a kosmický průmysl.
Saft vybral a upřednostnil nejslibnější Li-S technologii založenou na elektrolytu v pevné fázi. Tato technická cesta přináší velmi vysokou hustotu energie, dlouhou životnost a překonává hlavní nevýhody Li-S na bázi kapaliny (omezená životnost, vysoké samovybíjení, …).
Kromě toho je tato technologie doplňkem k lithium-iontu v pevném stavu díky své vynikající gravimetrické hustotě energie (+30 % ve Wh/kg).
Kdy to můžeme očekávat?
Hlavní technologické překážky již byly překonány a úroveň vyspělosti postupuje velmi rychle směrem k prototypům v plném měřítku.
U aplikací vyžadujících dlouhou životnost baterie se očekává, že se tato technologie dostane na trh hned po lithium-iontovém pevném stavu.
PEVNÉ BATERIE
Co je to?
Pevné baterie představují změnu paradigmatu z hlediska technologie. V moderních li-iontových bateriích se ionty pohybují z jedné elektrody na druhou přes kapalný elektrolyt (také nazývané iontová vodivost). V plně polovodičových bateriích je kapalný elektrolyt nahrazen pevnou sloučeninou, která však umožňuje iontům lithia migrovat uvnitř. Tento koncept není zdaleka nový, ale během posledních 10 let – díky intenzivnímu celosvětovému výzkumu – byly objeveny nové rodiny pevných elektrolytů s velmi vysokou iontovou vodivostí, podobnou kapalnému elektrolytu, což umožňuje překonat tuto konkrétní technologickou bariéru.
Dnes se úsilí výzkumu a vývoje Saft zaměřuje na 2 hlavní typy materiálů: polymery a anorganické sloučeniny, jejichž cílem je synergie fyzikálně-chemických vlastností, jako je zpracovatelnost, stabilita, vodivost…
Jaké jsou jeho výhody?
První obrovskou výhodou je výrazné zlepšení bezpečnosti na úrovni článků a baterií: pevné elektrolyty jsou při zahřátí nehořlavé, na rozdíl od jejich kapalných protějšků. Za druhé, umožňuje použití inovativních vysokonapěťových vysokokapacitních materiálů, které umožňují hustší a lehčí baterie s lepší skladovatelností v důsledku sníženého samovybíjení. Navíc na systémové úrovni přinese další výhody, jako je zjednodušená mechanika a také tepelné a bezpečnostní řízení.
Vzhledem k tomu, že baterie mohou vykazovat vysoký poměr výkonu k hmotnosti, mohou být ideální pro použití v elektrických vozidlech.
Kdy to můžeme očekávat?
S pokračujícím technologickým pokrokem pravděpodobně přijde na trh několik druhů polovodičových baterií. První budou polovodičové baterie s anodami na bázi grafitu, které přinesou lepší energetickou výkonnost a bezpečnost. Časem by měly být komerčně dostupné technologie lehčích polovodičových baterií využívající kovovou lithiovou anodu.
