Problém s bateriemi: Sny elektrooptimistů narážejí na realitu

Nedávno se objevila informace o tom, jak Toyota pokročila ve vývoji baterií, konkrétně baterií solid state, které slibují vyřešit hned tři problémy současných baterií: Totiž rychlost stárnutí, tendenci elektrolytu k zahoření a také výrobní cenu. Oslavné články proběhly tiskem, nad čímž zaplesali všichni, kteří nepostřehli, že Toyota vydává tiskové zprávy o svých technologických průlomech v oblasti baterií průběžně, jenom se nějak neproměňují v realitu. 

O pokrocích v bateriích Toyota informovala jak na počátku roku 2023, pak v září a pak na začátku prosince – a je zajímavé, že data korelují spíš s kvartálními výsledky a zprávami pro investory než se skutečnými produkty. Proto panuje podezření, že si Toyota vylepšuje svou pozici na trhu – ne finančními výsledky, ale zprávami o tom, že má technologie, které jí pomohou vylepšit budoucí výsledky.

Pokud jde o cestu k elektrobudoucnosti, představují baterie největší problém. Jistě, máme tu problémy s OZE (občasnými zdroji energie), které lze řešit tím, že změníme názor na jadernou energetiku. Máme problémy s distribučními sítěmi, které nejsou připravené na masové nasazení elektromobility, ale to se dá řešit jejich posílením a vhodnými incentivami k nabíjení vozidel mimo špičky.

Největším problémem není limitovaná životnost OZE, o které se zdvořile nemluví a problém s jejich recyklací se nechává až do doby, až toho bude tolik, že to zase bude muset sponzorovat stát. Není to ani zapojování OZE do sítí, které na ně nejsou připravené, tam se to zařídí tak, že se zvednou poplatky za distribuci a vylepšení sítí zaplatí spotřebitelé.

Největší problém je v tom, kde vzít dost baterií, jak je udělat rozumně bezpečné a jak je později likvidovat. Dvacetiletá až třicetiletá životnost OZE je doslova královská vedle životnosti baterií – a to dokonce i v ideálních podmínkách. Ve „vyvracení mýtů“ se u elektrooptimistů dočtete, že životnost baterie není problém, že je na ně záruka taková a maková a že baterie jsou skoro stoprocentně recyklovatelné, ale to je pouze projev jejich optimismu.

Pravda je taková, že když se vám životnost baterie skokově zkrátí, udělá si výrobce šetření – a pokud najde libovolný důvod svou záruku neuplatnit, tak ji neuplatní. Běžné lithium-iontové baterie, které nejsou napevno součástí zařízení, mají záruku nezřídka zkrácenou na 6 měsíců (považují se za spotřební materiál). Detekce vniknutí kapaliny, přehřátí anebo deformace baterií jsou považovány obvykle za znak zneužití baterie a záruka je zamítnuta. Promrznutí nebo kompletní vybití nadoraz je také věc, která vám baterku zabije na první pokus, stačí ji koupit a dostatečně dlouho nechat nenabitou. 

Likvidace není jednoduchá, každá baterie se musí recyklovat jinak a rekordní recyklovatelnost, o které se mluví, je možná v zásadě jenom laboratorně (doslova se používá slovo „perspektivně“). V praxi je to dost nebezpečný proces, protože baterie obsahuje reaktivní látky oddělené tenkým separátorem – to není jako recyklace papíru. Jakmile dojde k poškození běžných lithiumpolymerových baterií, může následovat exotermická reakce spojená s uvolněním směsi hořlavých a toxických plynů, mezi kterými jsou i takové mňamky jako fluorovodík (HF).

Zatímco zahoření malé baterie je relativně bezpečné – je to spíš něco jako dělobuch, u velkých baterií je to problém, protože hoření jednoho článku zahřeje ty další, které začnou rovněž uvolňovat plyny a mohou zahořet také. To vede někdy k rychlému až explozivnímu hoření, jindy to uvede celou baterii do stavu, kdy už to vevnitř není dobré a se zbytkem po zahoření se musí manipulovat opatrně. 

Jakkoliv se výrobci snaží odstranit rizika spojená se zahořením, nelze je úplně odstranit. Pravděpodobnost penetrace baterie například úlomky na silnici se snižuje „pancéřováním“ z titanu, rychlost stárnutí se omezuje tím, že se nechává kapacitní rezerva, ta také snižuje pravděpodobnost toho, že nějaký článek začne stárnout výrazně rychleji a mohlo by u něj dojít k přepólování. Na celou baterii dohlíží její kontrolér, který monitoruje její parametry a vlastnosti a bude velmi nespokojený, pokud se něco začne vymykat modelu stárnutí. 

Jenomže tohle neřeší ten problém, že se vozidla mohou srazit – a i když to jedna baterie zvládne, u druhého vozidla jeho baterie anebo palivo začne hořet – a to může způsobit zahoření i u první baterie. Existují baterie, které tohle ustojí, například lithiumfosfátové baterie (LiFePO4), které jsou bez kobaltu, tepelně stabilní, mohou mít výrazně více nabíjecích cyklů (i přes deset tisíc) a stárnou pomaleji než klasické lithiumpolymerové. Cenou za to je ale vyšší hmotnost a nižší energetická denzita, takže vozidlo s sebou tahá „větší batoh s menší dávkou energie“. 

Obecně se s tímto typem baterie počítá spíš pro domácí a průmyslové baterie. Používají se například v „Megapacku“, tedy průmyslových bateriích Tesla Megapack battery energy storage system (BESS), kde nevadí, že to je větší a energetická denzita je nižší, protože se nepočítá s tím, že s tím někam, budete jezdit. 

Minulé září došlo k incidentu v australském Queenslandu, kde chytil jeden Megapack, nepodařilo se mi dohledat, jestli to byl starý lithiumiontový aneboten nový, ale stalo se – a nechali ho vyhořet, u podobných zařízení se jednotlivé bloky staví kvůli haváriím s odstupem.

Opačným trendem, za kterým se dnes míří, jsou lithiumsulfátové baterie (LiS), kterých je celá řada typů a testuje se, který je nejlepší. Oproti lithiumpolymerovým bateriím mají podstatně vyšší energetickou denzitu a tedy i kapacitu vyšší prakticky dvojnásobně, což je činí zajímavým pro automobilový průmysl. Bohužel jde o baterie náladovější, s kratší životností a jsou méně stabilní. Přítomnost síry také napovídá, že až se jim zachce hořet, bude to zvláště kvalitní.

Ve všech případech máme několik trablů, které zde vyjmenuji.

1) Problém se vzácnými prvky

Dnes se výrobci snaží omezovat vzácné prvky jako je kobalt, které se navíc těží ve formě kobaltových rud jako je kobaltit (CoAsS) v dosti problémových zemích jako je Kongo a Zambie. Vývoj se snaží nahradit je „něčím normálním“, jako je síra anebo železo, kterého je všude spousta.

Problém je v tom, že mezi poměrně vzácné kovy patří samotné lithium, které se rovněž nachází buď v poměrně nízkých koncentracích (jako například u nás, kde po počátečním optimismu zavládla lehká skepse stran výtěžnosti a tedy i výnosnosti) anebo v problémových zemích, jako je Afghánistán. V současnosti jsou primárními zdroji Austrálie (zhruba polovina světové těžby), Chile (třetina) a Čína (15 %), zbytek jsou poměrně zanedbatelná množství. 

V budoucnosti se bude muset sáhnout buď po ložiskách s nižší výtěžností anebo budeme muset začít jednat s někým, koho úplně nemusíme, jako je Bolívie (rezervy 21 milionů tun), Afghánistán (odhaduje se možná i 20 mio), Argentina (19 mio), Kongo (3 mio), Srbsko (1,5 mio), Rusko (1 mio). České rezervy jsou odhadovány na 1,3 milionu tun s tím, že ve světě toho asi ještě bude dost (například v Africe), ale obvykle v zemích, se kterými se nekamarádíme dost na to, aby se tam dělal i průzkum. Naše osvobozovací snahy v zemích jako Afghánistán skončily fiaskem – a zdá se, že to získá Čína, které se to převelice hodí.

Lithium je limitované a jeho recyklace je naprostá nutnost, pokud máme u tohoto typu baterií zůstat. Navíc ta čísla nejsou kdo ví jak obrovská a je dost pravděpodobné, že budeme potřebovat něco mnohem dostupnějšího.

2) Problém se stárnutím baterií

Všechny baterie stárnou – a to včetně oslavovaných „gravitačních“ (přesněji gravitačně potenciálových) baterií, jako jsou přečerpávací elektrárny a jejich pošahanější a ujetější verze ve formě „gravitačních věží“. Tyhle věci také stárnou, vyžadují údržbu – a jejich provoz absolutně nebude beznákladový.

U chemických baterií je problém mnohem větší, protože s tím, jak stárnou, se v nich nejen hromadí uvolněné plyny, ale také v nich rostou lithiové dendrity. V podstatě jde o struktury tvořené lithiovými ionty, které se neabsorbují na anodě, ale začínají budovat takové jehličkové struktury, které postupně rostou směrem k separační membráně. Pokud ji prorazí, dojde k vnitřnímu vyzkratování baterie a je konec.

Omezování rychlosti růstu dendritů je problém, protože jakmile je baterie jednou uzavřená, není jak dendrity pokosit a eliminovat je. Jejich růst je fakt – a to, že prorazí membránu, je jenom otázkou času. Proto se za Svatý grál baterií považují baterie s pevným elektrolytem, který je tvořený pevným kompozitem, který by dendrity prorazit neměly – anebo by s tím měly mít alespoň mnohem víc práce. Jak jsem ale říkal, přestože kolem tohoto typu baterií panuje optimismus, zatím tam prostě nejsme.

3) Mechanická fragilita baterií

Ať už máme baterie klasické anebo solid state, nejde o struktury, do kterých můžete beztrestně bušit kladivem anebo je stovkou napálit do zdi. Jakmile se poruší vnitřní struktura článků, tak to nejlepší, v co můžeme doufat, je to, že nedojde k runaway chemické reakci, která povede k zahoření a článek chcípne tak nějak korektně. To nemění nic na tom, že je mrtvý a bude se muset vyměnit.

Zatímco u mnoha bouraček se dá k tomu, co vznikne, přistoupit tak, že „ono se to vyklepe“, v případě havárií elektromobilů se musí k baterii přistupovat velmi opatrně. Poškození může být uvnitř a nemusí být vidět – a z bezpečnostních důvodů je prostě lepší narušenou baterii vyjmout celou a nahradit ji novou, což poleze do peněz. Taková oprava není krytá zárukou – a velmi hrubý odhad říká, že bude stát zhruba třetinu pořizovací ceny vozidla. 

4) Další faktory životnosti

Obecně životnost baterií hodně záleží na tom, jak se k nim chováte – a to zahrnuje i vibrace, styl jízdy a strategii nabíjení. Objevují se super nápady, jako že auto zapojené do smart gridu bude fungovat jako záloha sítě, jenomže to ji jaksi poskytujete provozovateli sítě k cyklování. Správa baterie není tak jednoduchá, jako že si načerpáte kdekoliv chcete a v nejhorším si vezete extra kanystr, tak snadné to nebude.

Dnes víme, že rychlonabíjení není úplně zadarmo – a i když se dá použít, záleží například na teplotě okolí a taky na tom, jak přesně baterii nabíjíte. To je všechno hezké, ale pokud jste na delší cestě, musíte zohlednit například to, že nechcete, aby vám došla baterie během špičky, kdy 1) dobíjení bude drahé a 2) bude tam mnoho zájemců o dobíjení. V takové situaci se může jevit smysluplné vyměnit rychlé dobití za životnost, ale ono se to v dlouhém horizontu vrátí.

Plus „baterie je baterie“ a nesmíte ji tedy nechat kompletně vybitou, nesmíte ji nechat promrznout a tak dále. Všimněte si, že kdekoliv se mluví o „mýtu, že bateriím vadí chlad“, tak se mluví o chladu, ale ne o promrznutí. Tomu se dnes brání tím, že se baterie sama temperuje, ale je to závislé na tom, že se baterie musí mít čím temperovat, takže opět musíte mít představu o tom, jak je auto přesně nabité. 

5) Problémy s recyklací

Pokud jde o recyklaci, tak jsou všichni „laboratorní optimisté“, ale to jsme u jaderné fúze taky. Reálný problém je v tom, kdo a kde bude přesně recyklaci dělat. Typicky se baterie rozeberou na články, vyloví se z toho snadno recyklovatelné kovy – a zůstanou články v různorodé formě.

Články se obvykle namelou i s jejich obaly a membránami na směsku. Pak dochází k fyzikální separaci na základě specifické hustoty, kde se nahrubo oddělí membrány, kovové úlomky a prach z lithiových oxidů. Pak dochází k dalšímu mletí a jemnější separaci na jednotlivé kovy a vyčištěný prach, který lze dále zpracovávat na lithium.

Vše vidíte například na videu zde. A dávejte dobrý pozor!

Dávali jste dobrý pozor? Co je na tom videu tak divné? No – ta recyklační továrna je v Číně, protože recyklace lithiumiontových článků je dost špinavá a ekologii zatěžující věc. Samozřejmě, moderního pokrokového ekojedince to nezajímá: Co jeho oko nevidí, to jeho srdce nebolí, ať si v Číně i v Africe všichni klidně chcípnou, hlavně že u nás, v Evropě, nekouří komíny!

Zásadní problém je v tom, že tohle jednou přestane platit. Buď se naši demokratičtí demokraté rozhodnou, že nebudou podporovat zlou Čínu – anebo se nás zlá Čína rozhodne odstavit a přidá se i Afrika, kde taky spoustu lidí přestává bavit, že jim vozíme náš odpad – a pak si můžeme svoje odpadky zpracovávat sami. A popravdě – MĚLI bychom si je zpracovávat sami, a to ideálně na naše vlastní baterie, abychom nebyli závislí na nikom cizím. Ale to znamená, že musíme podporovat i špinavou a energeticky náročnou výrobu, místo jejího vyvážení tam, kde to netrápí naše Zelené.

6) Už zítra, už zítra!

Posledním faktorem, který je spíš takové postesknutí, je návrat k trvalému oslavování technologických průlomů v oblasti baterií. Stále se mluví o solid state, o superkondenzátorech, o grafénových bateriích – a to je všechno super, ale musí se to pořádně vyzkoušet a musí to být rentabilní. Nanotechnologie dovolují zvýšit účinnost baterií, ale pokud jsem si dobře povšiml, tak se nemění moc jejich životnost, kde jde spíš o fyzikálně chemický fundament. To znamená, že nanotechnologie nám dovolí zvýšit účinnost baterií při podobné životnosti za podstatně vyšší cenu, což nemusí být ekonomicky únosné – u malých baterií snad, u těch velkých stěží.

Podstatné totiž je i to, že baterie musíme být schopni vyrábět ve velkém množství a to jednotkově levně. Celý ten systém musí dávat smysl – a on někdy ve finále smysl nedává. Nedávno se kupříkladu nadšeně křepčilo kolem malých modulárních reaktorů, ale teď prosakují zprávy, že ono to není až tak úžasné. Přišlo se na to, že ony se nedají zvlášť zlevňovat – a navíc provozovat malý reaktor a velký reaktor je z hlediska nutnosti zabezpečení podobně nákladné. 

SMNR (Small Modula Nuclear Reator) není bojler, abyste si ho ve sklepě dali do baráku a nechali ho tam bez dozoru. Jednak jsou tu otázky provozní bezpečnosti a pak tu máme zájemce o rychlou cestu do Ráje, kteří hledají cesty, jak se dostat k radioaktivním materiálům a udělat z nich něco velmi zlého, takže se to opravdu musí hlídat. A to ne jenom dnes, ale pořád, takže ono dává větší smysl postavit spíš velkou elektrárnu, kterou budou trvale dozorovat a hlídat specialisté.

Pozitivem je, že výzkum a vývoj v oblasti baterií je tak rychlý, jak nikdy nebyl. Dříve trvalo mnoho desítek let, než jsme se posunuli od jedné technologie k druhé, nebyl takový tlak na inovace a vzhledem k omezenému objemu trhu nikomu nevadilo, že se staví z toxických anebo vzácných materiálů, takže to nejde škálovat.

Dnes potřebujeme víc baterií než kdy jindy – a navíc chceme škálovat. Osobně nejvíc fandím grafénu, i když tam taky budou určitě problémy a nemyslím, že by vývoj ustal někdy brzy. Potřebujeme příliš mnoho baterií, a to levně a rychle – potřebujeme jich tolik, že se v médiích přetřásají i naprosté voloviny, jako jsou gravitační věže anebo ježdění do kopce a z kopce s auty anebo vlaky, což smrtelně vážně navrhovali v roce 2020 američtí Advanced Rail Energy Storage.

Situace je zlá, chápu. Ale měli bychom začít hlavně s recyklací toho, co máme, aniž bychom byli závislí na našich konkurentech. „Nápady s perspektivou“ tu jsou, ještě je proměnit ve skutečné továrny, které ideálně budou ze starých článků dělat rovnou nové!