Výkonné baterie zítřka

Notebooky, mobilní telefony, elektromobily: mobilní zařízení potřebují lepší baterie. Chip vám představí nejnovější technologie v této oblasti.
ANDREAS WINTERER

Automobil poháněný bateriemi vyvolal 26. října 2010 velkou senzaci. Podařilo se mu totiž ujet na jeden zátah trasu dlouhou 600 km – bez dobíjení dojel z Mnichova do Berlína. Žádné jiné elektřinou poháněné auto pro běžné použití zatím nic takového nezvládlo – až na zmíněné Audi A2. Přestože je věrohodnost rekordu mezi odborníky ještě stále diskutována, je jasné, že vývoj v oblasti technologie baterií se opět posunul o hodně dopředu.
Avšak nejen automobilky, ale i výrobci přenosných počítačů a vývojáři smartphonů zoufale hledají nové způsoby, jak vměstnat více energie do menšího prostoru. I přes rozdílné požadavky se přece jen najdou některé podobnosti při řešení problému napájení notebooků a aut. Elektrické sportovní auto "Roadster" americké společnosti Tesla Motors pohání tzv. "18650" baterie. Jde přitom o lithiumiontovou baterii klasického válcovitého tvaru s rozměry 18 x 65 mm, která se běžně používá i u akumulátorů pro notebooky. Pro baterii pro automobil Tesla Roadster se však muselo použít a propojit 6 831 těchto akumulačních článků. Baterie pak má kapacitu 56 kilowatthodin, hmotnost asi 450 kg a vystačí na ujetí asi 340 km.

Hustota energie: Koncentrovaná síla

Požadavky do budoucna jsou celkem jasné: je potřeba mnohem lehčí a menší zdroj energie (baterie), který dokáže uložit za stejnou dobu mnohem více energie. Vědci na celém světě se snaží tohoto cíle dosáhnout. Ve hře je přitom více technologií – nanotechnologie, viry nebo doslova čerpání energie ze vzduchu. Přesto všechno je výchozí bod celkem jasný – lithiumiontová baterie používaná v současnosti. Lithiové baterie v různých formách se totiž v současné době používají nejvíce. Nabízejí zatím nejvyšší "hustotu energie" (označovanou jako objemová energie nebo kapacitní hustota) a na jednotku hmotnosti mají nejvyšší kapacitu. Pro srovnání: zatímco zastaralé niklkadmiové baterie (NiCD) mají hustotu energie cca 40 Wh/kg, lithiumiontová baterie (Li-Ion) dosahuje hustoty mezi 100 a 245 Wh/kg.
Kromě toho nemají lithiumiontové baterie žádný "paměťový efekt", tedy neztrácí kapacitu, pokud nejsou před nabitím úplně vybité. Přesto ale zvládnou jen zhruba 1 000 nabíjecích cyklů, než jejich kapacita klesne o 20 až 50 procent.
I když jsou nové technologie předmětem horečného výzkumu, základy technologie baterií (akumulátorů) zatím zůstávají nezměněné: při nabíjení se elektrická energie přeměňuje na chemickou, stejně jako v jiné baterii. Při vybíjení je pak reakce opačná – chemická energie se přeměňuje na elektrickou. Množství energie, které lze v baterii uložit, závisí na materiálu elektrod a elektrolytu, který je mezi nimi. U lithiových baterií jsou elektrody složeny ze sloučenin lithia – jako aktivní materiál pro zápornou elektrodu se používá směs grafitu (uhlíku) obohaceného lithiem a polyolefiny. Jako elektrolyt slouží směs esterů (na rozdíl od Li-Pol baterií, kde je elektrolyt složen z pevného polymeru).
Díky výzkumu a vývoji se daří hustotu energie Li-Ion baterií neustále zvyšovat. Zatím se však mění jen jednotlivé komponenty – například elektrolyt. To ale také často vede k nežádoucím účinkům – například vznikající chemické reakce při nabíjení nebo vybíjení uvolňují značné množství tepla a to může vést až k varu kapaliny, nebo dokonce k explozi. V minulosti se už takového případy, kdy baterie explodovala nebo se vzňala, skutečně staly, a někteří výrobci proto museli stahovat svoje notebooky nebo mobilní telefony z prodeje.
Proto také firma Toyota, průkopník na poli hybridních automobilů, začala pracovat na vlastním projektu a koncem roku 2010 představila svůj prototyp lithiové baterie. Elektrody se skládají z dioxinů lithia a kobaltu a z grafitu, v elektrolytu se používají sulfidy. Baterie je pevná a odolná vůči teplu. Baterie se tak na rozdíl od běžných lithiových baterií používaných v elektromobilech nemusí aktivně chladit.

Lithiová technologie: Stále je co vylepšovat

Změnit lze i materiál, ze kterého jsou vyrobeny elektrody. Při mnoha pokusech byly grafitové elektrody nahrazeny křemíkem, čímž se mnohonásobně zvýšila "skladovací" kapacita bateriového článku. Fantazii se v tomto případě meze nekladou. Vědci z firmy IBM a ze skotské univerzity St. Andrews zkoumali použití lithiumkyslíkových baterií, které ve své kapacitě asi desetkrát překonaly současné Li-Ion baterie. Jako obvykle se u této "kyslíkové baterie" používá elektroda z lithia, nicméně druhá elektroda je z porézní uhlíkové membrány naplněné kyslíkem ze vzduchu a tato elektroda reaguje s lithiem.
Jeden problém s lithiem tu ale je: nesmí totiž nikdy přijít do kontaktu s vodou, a to ani s atmosférickou vlhkostí. Výhody vyšší hustoty energie jsou tak částečně zmařeny. Výzkumníci tedy očekávají, že tento typ baterií by se mohl do sériové výroby dostat nejdříve v letech 2014 až 2015.

Elektrody: Více reakční povrch

Dalším způsobem, jak je možné zvýšit energetickou hustotu, je použít vhodnější elektrody. Pokud by se elektrody změnily na válcovitý svazek, zvýšil by se jejich povrch ve stejném prostoru a tím by se zvýšila hustota energie baterií. Stejného efektu se dosáhne i jiným způsobem: elektrody zůstanou stejně velké, jako jsou, ale jejich povrch se "zdrsní", čímž se zvětší jejich povrch potřebný pro reakční proces.
Nadějně vypadá i úsilí výzkumné skupiny z univerzity v Marylandu, která používá v bateriích biologické viry. V tomto procesu se používají tabákové viry TMV (Tobacco mosaic virus), které se k vědeckým účelům používají už dlouho. Tyto viry vědci umístili na kovový povrch elektrody a zároveň je uspořádali do složité struktury. Takto uspořádaný virus vytvoří na kovové elektrodě tenký film, který se chová jako sběrač elektrického proudu. Film má mnohem větší plochu než neupravené elektrody, čímž se mnohonásobně zvýší kapacita baterie (zhruba až šestkrát oproti "nevirovým"). Navíc to umožňuje zrychlit proces nabíjení. A není se čeho bát – viry slouží pouze pro vytvoření nanostruktur, během výrobního procesu se stávají nehybnými a nemohou se rozšiřovat do okolí.
Vědci z polytechnického institutu v Rensselaer v New Yorku pracují na dalším projektu. Pod vedením profesora Nikhila Koratkara využívají nový typ nanomateriálu – tzv. nanoscoops ("nanokopečky"). Při velkém zvětšení totiž jejich struktura vzhledem připomíná na sebe namačkané kornoutky se zmrzlinou. Takový povrch dovoluje velké nabíjecí proudy a také vydání velkého množství energie během krátkého času. Baterie vyrobené z tohoto materiálu lze nabíjet a vybíjet 40- až 60krát rychleji a jejich životnost je mnohem delší. Základ nanoscoopu je vyroben z uhlíku, který shora pokrývá tenká vrstva hliníku, jež je ještě přikryta "čepičkou" z křemíku.
Vyvíjená technologie také umožňuje zjednodušit formu baterie oproti současnému stavu. Dnes totiž mají baterie ještě samostatný kondenzátor, který vyrovnává požadavky na odběr energie v případě špiček. Ten ale není u "nanokopečových" baterií potřebný.

Baterie tenké jako papír

To, co by se hodilo u baterií pro elektromobily, by se samozřejmě často využilo i u baterií pro notebooky a smartphony. Podstatně kratší doba nabíjení by byla šikovná i zde. Byoungwoo Kang a Gerbrand Ceder z MIT (Massachusetts Institute of Technology) vyvíjejí lithiumželezofosfátové baterie, které se nabijí na plnou kapacitu za méně než jednu minutu, aniž by se přitom poškodily vlivem přehřátí. Katoda baterií je vyrobena z kuliček fosfátu železa a lithia o průměru 50 nanometrů. Takové nanokuličky při dobíjení baterií uvolňují ionty lithia extrémní rychlostí.
Na základě tohoto materiálu už dokonce firma Sony vyrobila několik různých baterií. Ovšem zda jsou notebooky skutečně kompatibilní s těmito bateriemi, to je úplně jiný příběh. V současné době mají lithiumželezofosfátové baterie nižší energetickou hustotu než Li-ion baterie. U modelů letadel, kde není maximální kapacita baterie tak podstatná, se však tento typ používá pro rychlonabíječky.
Kromě vyšší hustoty energie se vědci pokouší také zjednodušit výrobní postup nebo navrhnout jiné tvary baterií. Například již v roce 2009 byla představena "tištitelná baterie". Společně ji vyvinuli vědci z Fraunhoferova ústavu pro elektrické nanosystémy (ENAS), studenti z Technické univerzity v Chemnitzu a firma Menippos. Baterie, které se jim podařilo vyrobit, byly jeden milimetr tenké a vážily méně než jeden gram. Přitom je bylo možné vyrábět procesem podobným tištění (sítotisk). Základní napětí baterií je 1,5 V, ovšem články se dají snadno umístit nad sebe. Novinka obsahuje několik vrstev, mimo jiné i zinkovou anodu a manganovou katodu. Velmi tenkou (jen půl milimetru) lithiumpolymerovou baterii se podařilo vyvinout i vědcům v Japonsku v AMIC (Advanced Materials Innovation Center).
Tenká baterie najde své uplatnění například v chytrých platebních kartách, na zadní straně solárních modulů nebo v extrémně tenkých displejích (e-papír). Může se navíc vyrobit tak, že je naprosto šetrná k životnímu prostředí.
Ve Švédsku skupina vědců z laboratoře Angström na univerzitě v Upsale experimentuje s malými a ohebnými bateriemi, které jsou vyrobeny z mořských řas. Povrch z nanostruktur řas zlepšuje výkon baterie. Hustota energie takovýchto baterií je sice zatím nižší než u běžně používaných typů, pro výrobu baterií by ale bylo možné využít i textil nebo papírové obaly. Papír jako materiál pro ukládání energie také není špatný nápad – už jen kvůli biologické rozložitelnosti.

Boom elektromobilů: Požadavky rostou

Pokud by se více prosadily elektromobily, vedlo by to samozřejmě k i boomu lithiových baterií – na to se nakonec chystají trhy na celém světě. Odborníci však varují před hrozícím nedostatkem lithia, což by vedlo k prudkému růstu cen surovin. Smysluplné využití baterií je také samozřejmě otázkou infrastruktury. Problém omezené kapacity baterií lze vyřešit jejich rychlejším nabíjením. To ale zároveň předpokládá vybudovanou infrastrukturu "dobíjecích stanic". Pro mobilní telefony, notebooky, ale i automobily.
Specialisté na baterie na celém světě budou pokračovat ve svých pokusech a nechtějí, aby jim přitom někdo viděl do karet. Například elektrické Audi A2 skončilo po své rekordní jízdě v plamenech, takže se ozývaly podezřívavé hlasy, zda nebylo na zkušební jízdě něco divného. Výrobce baterií svoji vinu popírá. Spřádají se tedy i konspirační teorie, zda na neúspěchu neměla zájem "naftařská lobby", která chce zničit svoji konkurenci. Soutěž v této oblasti je skutečně tvrdá.
AUTOR@CHIP.CZ

2015
"Virové" baterie
Mobilní telefon vám vydrží klidně týden, díky tomu, že viry vylepší elektrody baterie.
2017
Palivové články
Elektromobily využívají palivové články, které lze velmi rychle nabít a které umožňují delší dojezd.
2020
"Dýchající" baterie
Notebooky dosahují desetinásobné výdrže oproti dnešku, protože jejich baterie "dýchají" kyslík ze vzduchu.


Nabíjecí technologie se vyvíjí
Když se baterie vybije, je potřeba ji nabít pomocí kabelu a elektrické energie ze zásuvky. Nicméně brzy by se to mohlo obejít i bez kabelu.

JEDNOTNÝ KONEKTOR PRO VŠECHNY

Pro začátek jedna dobrá zpráva: chaos v konektorech nabíječek pro mobilní telefony, smartphony a MP3 přehrávače by měl brzy skončit. Nejrůznější typy konektorů nabíječek by měl alespoň v Evropě nahradit pouze jeden – microUSB konektor. V případě notebooků je ale unifikace jen zbožným přáním, protože různé typy přenosných počítačů, od netbooků po DTR (Desktop Replacements), používají jiné druhy baterií a mají také úplně jiné energetické požadavky. Bude to tedy trvat nejspíše ještě pár let, než se adaptéry pro notebooky sjednotí.

NABÍJENÍ BEZ KABELU

Nejsme daleko od doby, kdy začneme naše zařízení nabíjet bez kabelů. Indukční nabíjení bez kabelů už například využívají některé elektrické zubní kartáčky a je jen otázka času, než se začne tato technologie používat i pro nabíjení smartphonů, notebooků nebo elektromobilů. Dokonce už dnes můžete svůj smartphone bezdrátově nabít pomocí zařízení, jako je Powermat (powermat.com) nebo WildCharge (wildcharge.com), a to tak, že je položíte do "nabíjecí oblasti". Má to však zatím i své nevýhody: před nabíjením musíte svému iPhonu nebo Blackberry navléct speciální "obleček" (skin), který je schopen bezdrátový příkon absorbovat a přenést elektrickou energii do klasické nabíjecí zdířky telefonu.
Další snahy se upírají směrem k využití kinetické energie a k její konverzi na elektrickou, která by nabití mobilního zařízení zajistila. Návrháři mají takovéto systémy zatím jen na papíře – například telefony teenagerů by se samy nabíjely například při tanci nebo chůzi jejich majitelů.
V loňském roce představila firma Brother baterie typu AA a AAA, které se nabíjejí třepáním – trvá to ale poměrně dlouho, než si "natřepete" energii na svícení baterkou.

VYUŽITÍ SOLÁRNÍ ENERGIE

Designéři už navrhli několik notebooků, které jsou schopné pracovat na solární energii, a Apple má způsob zásobování notebooků solární elektřinou dokonce patentovaný. A nejde jen o notebooky – "fotovoltaický telefon" Samsung E1107 už má na sobě solární panel z výroby. Není ale problém opatřit si nějaký externí solární panel pro jiný telefon nebo jiné zařízení – například na serverech sunbagshop.com nebo offgridsystems.ch.


Mobilní minielektrárny jako náhrada za baterii
Palivové články vyvolaly už před lety alespoň v médiích velký humbuk. Co ale vůbec tyto k životnímu prostředí šetrné superbaterie obsahují?
Podobně jako spalovací motor spotřebovává palivový článek palivo. Během v článku vznikající chemické reakce se uvolňuje energie. V mnoha případech se jako "obsah nádrže" používá vodík. Ten reaguje s kyslíkem a jediným odpadním produktem při této reakci je ekologicky nezávadná voda. Dokonce i v projektu Apollo při letu na měsíc využila NASA palivové články a například německé námořnictvo provozuje ponorky (typ 212A), které jsou považovány za první na vzduchu nezávislé ponorky a které jsou poháněny palivovými články, takže jsou i naprosto tiché.
Palivové články jsou už používány i v běžném provozu. Například Toyota produkuje v malých sériích hybridní automobily FCHV poháněné tímto typem energie. Mercedes poslal 30. ledna na testovací jízdu "kolem světa za 125 dní" svůj vůz třídy B, aby dokázal, že FC (F-Cell) články jsou vhodné pro každodenní použití. Zároveň jde o kampaň za vybudování globální sítě vodíkových čerpacích stanic. Nicméně většina automobilek očekává běžné nasazení vodíkového pohonu do aut až v roce 2015.

NOTEBOOK NA VODÍKOVÝ POHON

Zní to fantasticky: do notebooku nebo mobilního telefonu vložíte novou vodíkovou kapsli, a můžete zase bez problémů pracovat. Takovéto notebooky už byly ohlášeny v roce 2003, doposud však nejsou v prodeji. Jak je vidět, tato technologie se velmi obtížně zavádí do praxe, už jen proto, že palivové články jsou při svém provozu extrémně horké a to vzbuzuje nedůvěru. Poslední rozruch v této oblasti vyvolala firma Intel, která ohlásila spolupráci s firmou Lilliputian Systems, která se palivovými články zabývá. Nicméně konkrétní produkty ještě nebyly ohlášeny.

POWER-PACK TO GO

Palivové články ale už přece jen našly své praktické uplatnění v produktu pro běžné uživatele. Jde o externí nabíječku, která slouží k nabíjení menších elektronických zařízení na cestách. Nabíječku nazvanou MiniPAK "Personal Power Center" vyrábí a prodává (za 99 USD) společnost Horizon (horizonfuelcell.com). Zařízení velikosti mobilu z 80. let dokáže produkovat 2 W (400 mA, 5 V). Jeho vyměnitelné vodíkové "kazety" si můžete doplnit i doma pomocí nabíječky, která vodu z vodovodu rozděluje na kyslík a vodík.

Foto: Mobilní elektrárna: Americká společnost Horizon nabízí dobíječku mobilních zařízení, která pracuje na palivové články.


Nové přístupy: Miniaturizace má velký potenciál
NEJMENŠÍ BATERIE NA SVĚTĚ
V laboratoři Sandia National Laboratories v USA se podařilo vyrobit nejmenší baterii na světě. Je vměstnaná do jednoho nanovlákná o délce 10 mikrometrů. Anoda je vytvořena z drátu z oxidu cíničitého, který po nabití zdvojnásobí svou délku. Takováto baterie by se dala využít v nanotechnologiích a v lékařství (minibaterie by mohla například napájet umělou očnísítnici).

Foto: 1. Prázdná a krátká Anoda pod elektronkovým mikroskopem – je rovná a krátká.
Foto: 2. Nabitá a dlouhá Po nabití lithiový vodič absorbuje ionty a zdvojnásobí svoji délku.

VIRY ZVYŠUJÍ KAPACITU
Výzkumníci z univerzity v Marylandu přidávají do baterií viry, které se vyskytují na listech tabáku. Upravují pomocí nich elektrody, které mají díky nim mnohem větší povrch. Tím se totiž zvyšuje kapacita baterie.

Foto: Větší povrch Struktury tabákového mozaikového viru pomáhají zvětšit povrch elektrod baterie.

"NANOTURBO" PRO BATERIE
Nanoscoops ("nanokopečky") jsou malé, kornoutek připomínající struktury umístěné na anodě baterie. Během nabíjení se rozšiřují a při vybíjení se zase zmenšují. Baterie se tak může asi 40–60krát rychleji nabít a zvládá velké nabíjecí proudy.

Foto: Silikon Tento materiál absorbuje ionty lithia a při nabíjení se rozšiřuje.
Foto: Hliník Tenká vrstva absorbuje mechanické zatížení (vyrovnává pnutí) při rozšiřování.
Foto: Uhlík Během vybíjení se celá struktura zmenšuje spolu s uhlíkovým základem. Baterie může podat vyšší výkon.


INTERVIEW
"Li-Ion technologie bude v nejbližší době "in"
Dr. Bettina Lenzová, vedoucí oddělení pro skladování energie výzkumného centra Next Energy EWE.

Myslíte si, že se kapacita lithiumiontových baterií v nejbližších letech podstatně zvýší?

Použití lithiumiontových baterií v elektrických automobilech a v mobilních telefonech je velmi rozdílné, a proto nelze situaci srovnávat. Ale co se týká zvyšování "hustoty energie", lze očekávat mnohá vylepšení.

Existují nějaká alternativní řešení a účinné technologie, které by mohly v blízké době vytlačit Li-Ion baterie, nebo je alespoň částečně nahradit?

V nejbližší době ne. Nějaké koncepty ale samozřejmě existují – experimentuje se s lithiem a sírou a lithiem a vzduchem a někdo tyto technologie považuje za "Svatý grál" oblasti baterií. Nicméně je potřeba počítat s tím, že se tyto technologie budou ještě dlouho vyvíjet a že je potřeba dořešit mnoho aspektů – například co se týká dlouhodobé stability a možností snadného nabíjení.

Co si myslíte o palivových článcích jako o zdroji energie v elektromobilech?

Palivové články najdou v oblasti stacionárních i mobilních zařízení určitě uplatnění. Problém však vidím v infrastruktuře (dostupnosti článků) a také v oblasti nákladů na články jako takové. Už jen vzhledem k používání platiny jako katalyzátoru.

A jejich využití v přenosné elektronice?

V budoucnu si dokážu představit, že se v elektronických zařízeních budou používat palivové články s "přímým metanolem" (DMFC – Direct-methanol fuel cells). Zatím se ale toto řešení v podstatě komerčně nedodává. Podle mého nápad s mikroorganismy, které vyrábí vodík z metanolu, nebude fungovat.