Současné elektromobily se stále potýkají s několika zásadními omezeními. Výrobci hledají způsob, jak prodloužit dojezd, zkrátit nabíjení a současně zabránit tomu, aby baterie byly příliš těžké nebo drahé. Nadějné řešení nyní představili vědci z Jižní Koreje, kteří se zaměřili na výrazné zvýšení kapacity běžných lithium iontových článků.

Výsledkem jejich práce je nová konstrukce elektrody využívající křemík. Právě tento materiál by mohl bateriím umožnit uložit podstatně větší množství energie než dnes používaný grafit. V teoretické rovině se dokonce hovoří o elektromobilech schopných překonat na jedno nabití vzdálenost několika tisíc kilometrů.

Takové hodnoty však zatím nepředstavují reálný dojezd konkrétního sériového automobilu. Jde především o představu, co by výrazně vyšší kapacita článků mohla v budoucnu umožnit.

Křemík nabízí velkou kapacitu, má ale zásadní slabinu

Na vývoji pracovali odborníci z Pohang University of Science and Technology společně s vědci z univerzity Sogang. Jejich cílem nebylo lithium z baterií úplně odstranit, ale zdokonalit současnou technologii pomocí nového materiálu v anodě.

Většina dnešních lithium iontových baterií využívá grafitové anody. Grafit je osvědčený, stabilní a dobře zvládnutý z hlediska průmyslové výroby. Jeho schopnost ukládat elektrickou energii má však své fyzikální hranice.

Křemík může ve srovnání s grafitem teoreticky pojmout výrazně více lithia. Díky tomu nabízí přibližně desetkrát vyšší měrnou kapacitu. Na první pohled tak působí jako ideální materiál pro novou generaci akumulátorů.

Jeho praktické použití ovšem dlouhodobě komplikuje jedna zásadní vlastnost. Během nabíjení křemík výrazně zvětšuje svůj objem a při vybíjení se opět smršťuje. Opakované změny rozměrů mohou narušit strukturu elektrody, zhoršit její vodivost a postupně snížit využitelnou kapacitu celé baterie.

Nové pojivo má zabránit rozpadu elektrody

Výzkumný tým vedený profesory Soojinem Parkem, Youn Soo Kimem a Jaegeonem Ryuem se proto zaměřil na pojivo, které jednotlivé části elektrody drží pohromadě. Přestože jde o nenápadnou součást bateriového článku, její vlastnosti mají zásadní vliv na stabilitu, životnost i bezpečnost akumulátoru.

Nově vyvinuté pojivo se dokáže lépe přizpůsobit rozpínání a smršťování křemíkových částic. Elektroda si díky němu může zachovat potřebnou soudržnost i během opakovaných nabíjecích cyklů.

Křemík tedy nemusí zůstávat dokonale nehybný. Materiál dostává prostor k objemovým změnám, aniž by se přitom celá struktura začala rozpadat nebo přicházela o elektrické spojení mezi jednotlivými částicemi.

Právě řešení tohoto problému patří k nejdůležitějším podmínkám pro širší nasazení křemíkových anod. Samotná vysoká kapacita totiž nestačí. Článek musí zároveň vydržet dostatečný počet nabíjecích cyklů a zachovat si stabilní vlastnosti během několika let provozu.

Nejde o náhradu lithium iontových baterií

Nová technologie nepředstavuje úplné opuštění současných akumulátorů. Stále jde o lithium iontové články, jejichž konstrukce je vylepšena použitím křemíkové anody a nového typu pojiva.

To je důležité také z hlediska případného zavedení do sériové výroby. Automobilky a výrobci baterií investovali obrovské částky do továren, výrobních linek a dodavatelských řetězců určených právě pro lithium iontové články.

Technologie, která může na existující výrobu alespoň částečně navázat, má proto větší šanci dostat se do praxe než řešení vyžadující výstavbu úplně nových továren. Ani v tomto případě by však přechod nebyl okamžitý. Výrobci by stále museli ověřit dostupnost materiálů, výrobní náklady, bezpečnost a chování článků v různých provozních podmínkách.

Vyšší kapacita nemusí znamenat jen rekordní dojezd

Křemíkové anody bývají často spojovány především s možností dramatického prodloužení dojezdu elektromobilů. Vyšší hustotu energie lze ale využít několika různými způsoby.

Automobilka může zachovat současnou velikost baterie a nabídnout výrazně delší dojezd. Stejně tak může kapacitu akumulátoru ponechat na dnešní úrovni, ale zmenšit jeho rozměry a hmotnost.

Druhá možnost může být pro běžná elektrická auta dokonce důležitější než honba za dojezdem v řádu tisíců kilometrů. Lehčí baterie by mohla snížit hmotnost vozu, zlepšit spotřebu, omezit zatížení podvozku a snížit množství potřebných surovin.

Výsledkem by tak nemusely být pouze obrovské elektromobily s rekordním dojezdem. Technologie může otevřít cestu také k menším, lehčím a dostupnějším vozům, které nabídnou rozumný akční rádius s podstatně kompaktnějším akumulátorem.

Vodík tím z automobilového světa nezmizí

Křemíkové baterie bývají někdy prezentovány jako technologie, která může definitivně překonat vodíkový pohon. Takové srovnání je však potřeba vnímat s rezervou.

Vodíková auta mají několik známých nevýhod. Výroba, přeprava i skladování vodíku jsou energeticky náročné a síť veřejných plnicích stanic zůstává v mnoha zemích velmi omezená. Celková účinnost celého energetického řetězce bývá navíc nižší než u bateriového elektromobilu nabíjeného přímo z elektrické sítě.

Vodík přesto může najít využití v oblastech, kde jsou velká hmotnost baterií nebo dlouhé prostoje při nabíjení problematické. Zvažuje se například pro nákladní dopravu, průmysl, lodě nebo ukládání přebytků energie.

Zdokonalené baterie tedy nemusí vodík úplně vytlačit. Mohou však dále posílit pozici bateriových elektromobilů v osobní dopravě, kde už dnes představují nejrozšířenější alternativu ke spalovacím motorům.

Technologie může pomoci také energetice

Využití křemíkových anod se nemusí omezovat pouze na osobní automobily. Vyšší kapacita článků by byla přínosná také pro mobilní elektroniku, průmyslová zařízení nebo stacionární úložiště elektrické energie.

Velké bateriové systémy mohou ukládat elektřinu vyrobenou solárními a větrnými elektrárnami a uvolňovat ji ve chvíli, kdy výroba klesne nebo naopak vzroste spotřeba. Vyšší hustota energie by mohla zmenšit prostorové nároky takových úložišť a zvýšit množství energie uložené v jednom systému.

U stacionárních baterií však nejsou důležité pouze rozměry a kapacita. Zásadní roli hrají také pořizovací cena, životnost, počet nabíjecích cyklů a bezpečnost. Nová technologie proto bude muset prokázat, že kromě vysokého výkonu nabízí také ekonomický smysl.

Cesta k sériovým autům může být ještě dlouhá

Laboratorní výsledek představuje důležitý krok, stále však není zárukou rychlého nasazení do běžných elektromobilů. Bateriový článek musí před zahájením sériové výroby projít rozsáhlým testováním.

Výrobci ověřují jeho chování při vysokých i nízkých teplotách, rychlém nabíjení, mechanickém poškození a dlouhodobém používání. Důležitá je rovněž schopnost vyrábět články ve velkém množství se stále stejnou kvalitou.

Velkou roli sehrají také náklady. Sebelepší baterie se v masově vyráběných automobilech neprosadí, pokud bude její výroba příliš drahá nebo závislá na obtížně dostupných materiálech.

Korejský výzkum přesto ukazuje, že současné lithium iontové baterie ještě zdaleka nevyčerpaly svůj potenciál. Místo úplného nahrazení celé technologie může největší změnu přinést postupné vylepšování jejích jednotlivých částí.

Dojezd několika tisíc kilometrů zůstává především vizí

Představa elektromobilu, který na jedno nabití urazí více než 3 000 kilometrů, zní mimořádně působivě. Samotná vyšší kapacita anodového materiálu ale neznamená, že sériový vůz automaticky ujede desetkrát delší vzdálenost.

O výsledném dojezdu rozhoduje celý bateriový článek, jeho konstrukce, chemické složení, hmotnost, chlazení i spotřeba konkrétního automobilu. Část teoretické výhody křemíku se navíc může ztratit při převodu laboratorního řešení do průmyslové výroby.

Reálným přínosem tak může být spíše postupné zvýšení kapacity baterií, snížení jejich hmotnosti nebo kombinace obou vlastností. I tak by šlo o významný posun, který by elektromobilům pomohl odstranit některé z jejich současných slabin.

Jihokorejští vědci každopádně ukázali jednu z cest, po kterých se může další vývoj ubírat. Křemíkové anody nejsou úplně novým objevem, nové pojivo však může pomoci vyřešit problém, jenž dosud bránil jejich širšímu používání. Teprve další testování ukáže, zda se podaří slibné laboratorní výsledky přenést také do baterií vyráběných v průmyslovém měřítku.