Kolik času zbývá do elektrické revoluce

^{ELEKTROMOBILITA} - Ceny baterií mají jak a kam dále klesat. Velká proměna automobilismu je vzdálená jen několik let.

Co je na elektrickém voze nejdůležitější? Odpověď je zřejmá: baterie. Ta tvoří větší část ceny elektrických vozů a zároveň představuje největší omezení dnešních elektromobilů. Kupcům vadí nejvíce právě vysoká pořizovací cena a dojezd. Dojezd je méně důležitý ukazatel, který navíc s cenou souvisí – kdyby byly baterie opravdu levné, bylo by možné zvětšit i baterii. Když se podaří vyřešit cenu baterie, má elektromobil nižší náklady na provoz i na palivo, a pro majitele by tak měl být výhodnější (alespoň během prvních let provozu, protože je stále otevřená otázka dlouhodobé spolehlivosti baterií). Kdy tedy cena baterie může klesnout natolik, aby se nákup elektrického vozu vyplatil již na první pohled – kdy tedy elektrické vozy mohou stát stejně jako ty se spalovacím motorem?

Podle analýz a odhadů agentury Bloomberg by ta chvíle měla přijít brzy, někdy kolem roku 2023. V roce 2019 se podle jejího odhadu cena bateriových článků pro vozy (tedy kompletních baterií) pohybovala pod 160 dolary za kilowatthodinu kapacity. Snad již v roce 2023 by se cena mohla přiblížit hranici sto dolarů za kilowatthodinu, pak by elektromobily mohly být cenově konkurenceschopné. Ale je to možné, a případně jak?

Co se dá zlepšit

Není pochyb o tom, že elektromobily budou v příštích letech a nejspíše i desetiletích pohánět vylepšené lithiové baterie. Na dohled není žádná revoluce, ale spíše jen evoluce. Pokud ceny mají spadnout tolik, kolik analytici odhadují, musí se jednat o evoluci nezanedbatelnou.

Automobilky a jejich dodavatelé si samozřejmě celou řadu podrobností o tom, jak toho dosáhnout, nechávají pro sebe. Ale ne všechny.

Do své „kuchyně“ nechala zájemce v září 2020 nedávno nahlédnout například společnost Tesla, která je dnes nepochybně špičkou a má s výrobou baterií pro elektromobily zkušenosti jako málokterá jiná společnost (byť samozřejmě spoléhá do značné míry na dodavatele).

Tesla v rámci setkání s akcionáři uspořádala „Den baterie“, během kterého představila svou strategii, jak srazit současnou cenu baterií během několika příštích let o více než polovinu. Samozřejmě není pochyb o tom, že firma si celou řadu podrobností nechala pro sebe. Naznačila ale svou základní strategii.

I v příštích letech má Tesla využívat v autech klasické válcové články podobné těm, které automobilka používá dnes (a které si nechává vyrábět od firem jako Panasonic či CATL). Nový typ 4680 bude větší než dnešní články (jak říká název, mají průměr 46 mm a délku 80 mm), a především by měl mít nová „střeva“.

Jedna významná novinka spočívá například ve způsobu odvodu a přívodu elektřiny ze samotného aktivního materiálu na póly baterie. To mají na starosti v článcích malé vodivé prvky – anglicky se nazývají „tabs“ – obvykle vyrobené z niklu, hliníku, případně mědi. Jde o jedno z nejslabších míst dnešního designu. Když se baterie rychle nabíjí či vybíjí, právě v těchto kovových prvcích vzniká velké množství tepla – což je pro lithiovou baterii samozřejmě velký problém.

Tesla si v květnu podala patent na baterie, které se bez těchto vodivých prvků mají zcela obejít (baterie s „tabless“ elektrodami). Měly by za prvé snížit množství vznikajícího odpadního tepla, a tím umožnit rychlejší dobíjení baterií.

Druhou, a podstatně důležitější změnou má být zjednodušení výroby. Umísťování a připevňování „tabů“ totiž podle Muska i Baglina výrazným způsobem zdržovalo výrobu článků. Proces není okamžitý, a tak se kvůli němu musí článek na své cestě linkou zastavit. Bez těchto prvků se údajně může linka pohybovat v podstatě kontinuálně, velmi podobně jako například plnicí linka na nápoje. Řešení bude mít nepochybně i své nevýhody a problémy, o kterých Tesla nemluvila, ale výhody jsou zřejmé.

Jiné materiály

Změny nastanou například na elektrodách. Dnes se v anodách baterií používá uhlík, protože dobře vede elektrický proud, tento prvek ovšem není nejlepší na jeho skladování. Na uložení jednoho lithiového iontu, který je v bateriích nosičem náboje, je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Existují materiály podstatně vhodnější: například jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia.

S křemíkem se pro použití v bateriích tedy hojně experimentovalo a experimentuje, dlouho se však nedařilo překonat jeho nevýhody. Především tu, že po pohlcení elektronů „bobtná“ – velmi výrazně se mění jeho objem, a to několikanásobně (řekněme pro jednoduchost zhruba na trojnásobek původního objemu). Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, stačí jen několik nabití a anoda se roztrhá na malé kousky.

Přesto se v anodách křemík už používá, a to i v bateriích používaných Teslou. Je to jeden z nejlepších způsobů, jak kapacitu baterií zvýšit. Ovšem v současných anodách je křemíku málo, řádově jednotky procent z celkového objemu. Příměs je tak malá, že nárůst objemu není velký problém a zvýšení kapacity o několik procent za něj stojí.

Tesla má v plánu množství křemíku několikanásobně zvýšit, aby se dojezd při zachování objemu baterie zvýšil cca o 20 procent. Problém s „bobtnáním“ chce Tesla vyřešit tak, že baterie nebude čistě křemíková, bude obsahovat i elastické materiály, které se mohou zmenšit tak, aby se kompenzovalo zvětšování křemíku v anodě.

Bez kobaltu

Změny by se měly dotknout i druhé elektrody, tedy katody (poznámka bokem: v dobíjecích bateriích se samozřejmě role elektrod mění podle toho, zda se nabíjejí či vybíjejí, ale pro zjednodušení se jako anoda obvykle označuje elektroda, na které během vybíjení dochází k oxidaci). Tesla v první řadě potvrdila, že se pokusí zbavit kobaltu v bateriích.

Jak již asi víte, kobalt se používá v katodě baterií, obvykle v kombinaci s niklem a manganem v podobě materiálu známého jako NMC. Kobalt je z těchto materiálů nejdražší, navíc je dnes jeho produkce vázána na problematickou těžbu v Kongu.

I proto se většina výrobců snaží kobaltu zcela zbavit. V minulosti byly v NMC ve stejném poměru 1 : 1 : 1 nikl, mangan a kobalt. V nových bateriích ovšem tvoří velkou část materiálu pouze nikl (někdy téměř 90 procent) a kobaltu je cca 5 procent. Tesla tedy není jediná, je v podstatě ilustrací obecného trendu, který by měl zjednodušit a zlevnit výrobu baterií obecně. Tesla možná bude, možná nebude první, důležité je, že vývoj pokračuje.

Sedíme na baterii

Tesla také potvrdila, že se ve snaze vyrábět levnější baterie vydává i dalším logickým směrem: články, respektive celá baterie by měla sloužit jako funkční část konstrukce vozu. V podstatě by se tak mohlo jednat o „samonosnou baterii“, která vůz zbytečně nezatěžuje. Samotná baterie tedy má být dostatečně tuhá a pevná. Podle Tesly by se mělo jednat v podstatě o voštinovou konstrukci, která by sloužila nejspíše jako spodní část karoserie (kvůli hmotnosti baterie je to pro ni výhodné umístění).

To samo o sobě není nový koncept, mluví se o něm roky i v jiných firmách. Je nabíledni, že takový systém může snížit hmotnost vozidla, a tím snížit spotřebu energie a v důsledku tedy také zvýšit dojezd. S podobnými koncepty tak přicházejí i další automobilky a zda půjde skutečně o konkurenční výhodu, to bude záležet především na tom, jak úspěšně se ten který výrobce s nápadem dokáže „poprat“, jak náročná na výrobu a jak funkční bude konkrétní řešení tohoto problému.

BYŤ VÝKONY BATERIÍ SE V PŘÍŠTÍCH LETECH REVOLUČNĚ NEZMĚNÍ, CENY MAJÍ NADÁLE VÝRAZNĚ KLESAT

Nejlepší ve výrobě

Všechna dílčí zlepšení mají jeden hlavní cíl: výrazně zjednodušit, zrychlit, a tedy i zlevnit výrobu baterií ve velkém. Úspory z rozsahu byly zatím rozhodujícím faktorem ve zlevňování článků a Tesla chce trend prodloužit.

Firma si dala za cíl vyrobit ročně baterie s celkovou kapacitou od 10 do 20 terawatthodin. Celková roční výrobní kapacita je dnes o dva řády nižší, pohybuje se zřejmě někde v pásmu nad 300 GW ročně. Rekordní Gigafactory v Nevadě, která ještě není dostavěna, je koncipována na výrobu kolem 150 GWh za rok.

Jak zvýšit výrobu řádově stokrát? Tesla má dva recepty. Stejně jako řada jiných firem samozřejmě chystá stavbu dalších továren na baterie. Ale zároveň tvrdí, že „zlepšováky“ představené v rámci Battery Day mohou velmi výrazně zvýšit výrobu v již stojících továrnách. Kontinuální výroba jednodušších baterií, které pojmou více energie, může údajně výhledově zvýšit produkci z jedné linky zhruba sedminásobně.

Údaj je nutné brát s rezervou, protože máme k dispozici pouze nablýskanou prezentaci a „tvrdá data“ jsou předmětem obchodního tajemství. Ovšem trend je jasný: výrobci i analytici shodně odhadují, že během řádově jednotek let by se baterie měly vyrábět v takovém množství a tak účinné, aby se elektromobily skutečně mohly vyrovnat klasickým vozům. Obměna vozového parku bude trvat mnohem, mnohem déle, ale čas připravit se na změnu není nijak dlouhý.

Za sucha to stále nejde

Další velkou změnou – která má ovšem do praxe dále – by mělo být zjednodušení výroby baterií. Tesla v roce 2019 koupila firmu Maxwell Technologies, jež si mimo jiné dala za cíl radikálně zjednodušit jeden ze složitých kroků ve výrobě baterií, výrobu elektrod.

Dnes se vstupní materiály pro obě elektrody musí nejprve rozpustit, pak lisovat a vysušit. Celý proces výrobu nejen zdržuje, ale také prodražuje, už kvůli nákladům na energie a nutné vybavení. Maxwell Technologies přišel s demonstrací procesu výroby za sucha, který by se měl bez těchto kroků obejít. Po jeho dotažení do výroby by se obě elektrody měly velmi jednoduše lisovat za sucha a nízkých teplot.

Tesla má zatím k dispozici pouze prototypy technologie v malém, v podstatě laboratorním měřítku. Do výroby má tedy proces ještě opravdu daleko a nedá se předpokládat, že by Tesla tuto technologii dokázala dotáhnout do praxe během tří let, jak to slibuje u většiny ostatních „zlepšováků“, které na Battery Day prezentovala.