name | autoweek.cz
Cíle vývoje techniky akumulátorů
06.05.2020 | Trendy
Zdroj elektrické energie ve formě akumulátoru je nejdůležitější konstrukční částí elektromobilu. Kromě co nejvyšší hustoty energie jsou u něj zásadní i další aspekty jako jsou bezpečnost, hmotnost a trvalá udržitelnost. Jaké budou akumulátorové systémy budoucnosti?
Andreas Hintennach vede ve společnosti Daimler výzkum akumulátorových článků. V rozhovoru objasňuje základy aktuálních lithio-ionových článků i jaké budoucí technologie mají opravdu šanci. Odborníci společnosti Daimler z různých oborů se v rámci výzkumu a vývoje zabývají všemi aspekty akumulátorové techniky. Požadavky na ní kladené se liší v závislosti na použití. Při vývoji částečně hybridních pohonů s napětím 48 V, externě nabíjitelných (plug-in) hybridních pohonů nebo výhradně elektrických hnacích řetězců je nutné se zaměřovat na odlišné hlavní aspekty.
Pracujete na výzkumu a vývoji akumulátorů, které jsou v současnosti „nosným“ tématem v oblasti elektromobility. Jak k tomuto tématu přistupuje Mercedes-Benz?
„Akumulátorová technika je klíčovým komponentem elektromobility. Nejedná se přitom o standardní separátní produkt, ale o neoddělitelnou součást konstrukce automobilu. Proto pokrýváme veškeré fáze od základního výzkumu až po zralost pro sériovou výrobu. Mezi naše aktivity patří průběžná optimalizace aktuální generace lithium-iontových akumulátorových systémů, další vývoj článků nakupovaných na světovém trhu a výzkum nových generací akumulátorových systémů. U akumulátorů pro elektricky poháněné automobily jde ale samozřejmě i o mnoho dalších záležitostí. Pracujeme také na systému řízení akumulátorů, což je vlastně komplexní počítač, jehož vlastnosti neustále optimalizujeme. Důležitým tématem je také řízení provozní teploty, které hraje významnou roli z hlediska životnosti a výkonnosti sady akumulátorů. Musíme opravdu dobře rozumět mechanismu těchto technologií, abychom mohli přijímat správná rozhodnutí.“
Na co se v současnosti nejvíce zaměřujete?
„Zatímco je náš nový model EQC uváděn na jednotlivé trhy, my již připravujeme cestu pro příští generace výkonných elektricky poháněných vozidel. Lithio-ionové akumulátory jsou v současnosti nejčastěji používaným druhem akumulátorů v elektronice a elektromobilech. V nadcházejících letech bude tato technologie i nadále udávat tempo, ale očekávání jsou ještě mnohem vyšší. Co se týče oblastí výzkumu a vývoje, zabýváme se několika specifickými hlavními principy. Průběžně pracujeme na inovacích a alternativách, které přesahují možnosti lithio-ionových akumulátorů z hlediska energetické hustoty a doby nabíjení, ale také s ohledem na trvalou udržitelnost. Již pro příští generaci vozidel naší značky EQ se má část akumulátorových článků vyrábět 100% s využitím elektrické energie z obnovitelných zdrojů.“
Jde tedy o mnohem víc, než je jen zvyšování kapacity sad akumulátorů v kWh?
„Kapacita energie je samozřejmě důležitá. Neznamená však všechno. Pro nás je velmi důležitým faktorem bezpečnost. Změnami používaných materiálů by se mohlo dosáhnout vyšší kapacity, avšak na úkor bezpečnosti. Pro nás taková varianta nepřipadá v úvahu. Mercedes-Benz musí být měřítkem bezpečnosti, a to platí i pro jeho sadu akumulátorů. Jedním z našich vůdčích principů ve vývoji je také flexibilita. Ve společnosti Daimler čekají na sady akumulátorů různé případy uplatnění - od osobních vozů smart a Mercedes-Benz přes lehké užitkové vozy až po autobusy a těžká nákladní vozidla - a to včetně 48 V částečně hybridních pohonů, externě nabíjitelných hybridních pohonu i elektromobilů. A řešení, na nichž pracujeme, musejí být samozřejmě trvale udržitelná.“
Jak vypadá ekologická bilance elektromobilů? Elektrický pohon má v porovnání s výrobou spalovacích motorů prokazatelně horší výsledky.
„Výroba spalovacích motorů byla nepřetržitě optimalizována během uplynulých 133 let. Akumulátory a také palivové články začínají v současnosti sloužit s vyššími emisemi kvůli vyšší spotřebě energie. Jejich provoz je však výrazně hospodárnější a to v konečném součtu převáží. Dokonce i v případě, že se nepoužívá elektrická energie s neutrální bilancí emisí CO2, mají vozidla napájená z akumulátorů v rámci celého životního cyklu o 40 % nižší emise než motory spalující benzin a o 30 % nižší emise oproti motorům na naftu. V této bilanci přitom vůbec nejsou zohledněny naše ambiciózní cíle pro snižování emisí CO2 ve výrobě do roku 2039 a recyklace surovin, které se budou vracet do výrobního koloběhu. Ale již dnes jsou vozidla z 95 % recyklovatelná.“
Jak dlouho bude trvat, než vznikne reálný trh pro využívání recyklovaných surovin z elektromobility?
„Za osm až deset let budou již pro recyklaci k dispozici významné počty akumulátorů z vozidel. Pak se budou do výrobního koloběhu vracet především kobalt, nikl, měď a později i křemík. Již dnes máme procesy jak vracet recyklované suroviny zpět do výrobního koloběhu. V současnosti tak již činíme s našimi zkušebními akumulátory. Vytvoření funkčního trhu s recyklovanými surovinami je pro Evropu důležité i z politického hlediska, protože má minimum vlastních primárních zdrojů.“
Jaké materiály se používají v akumulátorech?
„U lithio-ionového akumulátoru je konstrukce článků podobná ať už se jedná o akumulátor pro mobilní telefon nebo elektromobil. Vždy obsahuje dvě fólie z kovu, například mědi a hliníku. Na jejich okrajích se nacházejí póly, katoda a anoda, mezi nimiž probíhá elektrochemická reakce. K tomu je zapotřebí kov s vysokou reaktivitou jako je lithium. Nejvyšší náklady připadají na složení katody, tedy kladného pólu akumulátorového článku. Tu tvoří směs niklu, manganu a kobaltu. U anody se používá grafitový prášek, lithium, elektrolyt a separátor.“
Důležitým, často zmiňovaným tématem je kobalt, s jehož těžbou je opakovaně spojováno porušování lidských práv a poškozování životního prostředí, a to zejména tehdy, pochází-li z Konga. Co proti tomu dělá Daimler?
„Vyvinuli jsme přístup, jehož cílem je, aby dodavatelé splňovali naše požadavky na trvalou udržitelnost. V rámci toho vytváříme mimo jiné větší transparentnost v dodavatelském řetězci. Za tím účelem jsme pověřili externí auditorskou společnost, která zajišťuje transparentnost na všech stupních dodavatelského řetězce kobaltu podle standardů OECD včetně průběžných kontrol. Elektromobilita je totiž opravdu trvale udržitelná pouze tehdy, když i těžba surovin bude probíhat za trvale udržitelných podmínek.“
V současnosti neexistují žádné brzké alternativy lithio-ionových akumulátorů?
„Pro určité druhy použití alternativy existují. V těchto případech se jedná dokonce o technologie, které svými vlastnostmi lithium-iontové akumulátory překonávají. Mezi ně patří akumulátory s pevným elektrolytem, které budeme od poloviny roku 2020 používat v našem městském elektrobusu Mercedes-Benz eCitaro. Tato technologie má velmi dlouhou životnost a navíc neobsahuje kobalt ani nikl nebo mangan. Má však nižší energetickou hustotu. Proto jsou tyto akumulátory relativně velké a navíc je není možné rychle nabíjet. Jsou tedy dobře využitelné pro užitková vozidla, nikoli však pro osobní vozy. V nich nás budou ještě řadu let doprovázet lithium-iontové akumulátory.“
Co se stane příštím „svatým grálem“? Jsou akumulátory s pevným elektrolytem budoucností?
„Technologie, která nahradí lithio-ionové akumulátory, není jen jedna. Ať se jedná o články s pevným elektrolytem, anodami z lithia a kovu nebo lithio-sírové systémy, všechny technologie se vzájemně liší specifickými požadavky na materiály, možnostmi využití i stupněm vyzrálosti. Každá technologie má své výhody a nevýhody. Ne hned za rohem – ale ani v příliš vzdálené budoucnosti – se nyní nacházejí akumulátory, u nichž může být grafitová vrstva anody nahrazena novými materiály, jakými jsou například lithio-kovové fólie nebo křemíkový prášek. Obojí velmi výrazně zvyšuje energetickou hustotu. Tím se prodlouží dojezd a podporováno by mohlo být i rychlé nabíjení. Všechny akumulátory s pevným elektrolytem nabízejí velké výhody v oblasti bezpečnosti, pracujeme však ještě na technologii rychlého nabíjení a na delší životnosti, abychom pak mohli s ohledem na naše osobní automobily říci: Toto je technologie, kterou bychom nyní měli uvést na silnice.“
A jaké budou další kroky?
„Lithium-síra je jedna možná alternativa. Pokud bychom v dnešních akumulátorech používaný nikl a kobalt nahradili sírou, mohli bychom výrazně zvýšit trvalou udržitelnost. Energetická hustota nabízí rovněž velký potenciál, ale životnost ještě není dostatečná a bude ještě nějakou dobu trvat, než v této oblasti dojde k průlomu. Akumulátory lithium-vzduch obsahují opravdu pouze lithium. Zbytek - tedy kyslík - je jednoduše přiváděn ze vzduchu. Z chemického hlediska je to podobný koncept, jaký používáme v palivových článcích na vodík. Energetická hustota by byla vynikající, ale tato technologie je spíše otázkou vzdálenější budoucnosti.“
S vaším výzkumným vozidlem Vision AVTR jste učinili další krok směřující do vzdálenější budoucnosti. Je technologie organických akumulátorů opravdu jednou z možností?
„Mercedes-Benz prezentuje se studií Vision AVTR vizi trvale udržitelné mobility bez emisí, a to i v oblasti poháněcí techniky. Poprvé je revoluční akumulátorová technologie založena na organickém chemickém složení článků na základě grafenu (extrémně tenká forma uhlíku, strukturou podobná grafitu), a tím kompletně eliminuje vzácné, zdraví škodlivé a drahé kovy. Elektromobilita se tak stane nezávislou na fosilních zdrojích. Naprostou revoluci představuje stoprocentní recyklovatelnost kompostováním. Kromě exponenciálního nárůstu energetické hustoty ohromuje tato technologie také svými výjimečnými předpoklady pro rychlé nabíjení. Organické akumulátory jsou v současnosti součástí našeho základního výzkumu. Bude sice ještě trvat řadu let, než budou moci být zařazeny do výbavy vozidel Mercedes-Benz, ale potenciál k tomu mají!“
Pracujete na výzkumu a vývoji akumulátorů, které jsou v současnosti „nosným“ tématem v oblasti elektromobility. Jak k tomuto tématu přistupuje Mercedes-Benz?
„Akumulátorová technika je klíčovým komponentem elektromobility. Nejedná se přitom o standardní separátní produkt, ale o neoddělitelnou součást konstrukce automobilu. Proto pokrýváme veškeré fáze od základního výzkumu až po zralost pro sériovou výrobu. Mezi naše aktivity patří průběžná optimalizace aktuální generace lithium-iontových akumulátorových systémů, další vývoj článků nakupovaných na světovém trhu a výzkum nových generací akumulátorových systémů. U akumulátorů pro elektricky poháněné automobily jde ale samozřejmě i o mnoho dalších záležitostí. Pracujeme také na systému řízení akumulátorů, což je vlastně komplexní počítač, jehož vlastnosti neustále optimalizujeme. Důležitým tématem je také řízení provozní teploty, které hraje významnou roli z hlediska životnosti a výkonnosti sady akumulátorů. Musíme opravdu dobře rozumět mechanismu těchto technologií, abychom mohli přijímat správná rozhodnutí.“
Na co se v současnosti nejvíce zaměřujete?
„Zatímco je náš nový model EQC uváděn na jednotlivé trhy, my již připravujeme cestu pro příští generace výkonných elektricky poháněných vozidel. Lithio-ionové akumulátory jsou v současnosti nejčastěji používaným druhem akumulátorů v elektronice a elektromobilech. V nadcházejících letech bude tato technologie i nadále udávat tempo, ale očekávání jsou ještě mnohem vyšší. Co se týče oblastí výzkumu a vývoje, zabýváme se několika specifickými hlavními principy. Průběžně pracujeme na inovacích a alternativách, které přesahují možnosti lithio-ionových akumulátorů z hlediska energetické hustoty a doby nabíjení, ale také s ohledem na trvalou udržitelnost. Již pro příští generaci vozidel naší značky EQ se má část akumulátorových článků vyrábět 100% s využitím elektrické energie z obnovitelných zdrojů.“
Jde tedy o mnohem víc, než je jen zvyšování kapacity sad akumulátorů v kWh?
„Kapacita energie je samozřejmě důležitá. Neznamená však všechno. Pro nás je velmi důležitým faktorem bezpečnost. Změnami používaných materiálů by se mohlo dosáhnout vyšší kapacity, avšak na úkor bezpečnosti. Pro nás taková varianta nepřipadá v úvahu. Mercedes-Benz musí být měřítkem bezpečnosti, a to platí i pro jeho sadu akumulátorů. Jedním z našich vůdčích principů ve vývoji je také flexibilita. Ve společnosti Daimler čekají na sady akumulátorů různé případy uplatnění - od osobních vozů smart a Mercedes-Benz přes lehké užitkové vozy až po autobusy a těžká nákladní vozidla - a to včetně 48 V částečně hybridních pohonů, externě nabíjitelných hybridních pohonu i elektromobilů. A řešení, na nichž pracujeme, musejí být samozřejmě trvale udržitelná.“
Jak vypadá ekologická bilance elektromobilů? Elektrický pohon má v porovnání s výrobou spalovacích motorů prokazatelně horší výsledky.
„Výroba spalovacích motorů byla nepřetržitě optimalizována během uplynulých 133 let. Akumulátory a také palivové články začínají v současnosti sloužit s vyššími emisemi kvůli vyšší spotřebě energie. Jejich provoz je však výrazně hospodárnější a to v konečném součtu převáží. Dokonce i v případě, že se nepoužívá elektrická energie s neutrální bilancí emisí CO2, mají vozidla napájená z akumulátorů v rámci celého životního cyklu o 40 % nižší emise než motory spalující benzin a o 30 % nižší emise oproti motorům na naftu. V této bilanci přitom vůbec nejsou zohledněny naše ambiciózní cíle pro snižování emisí CO2 ve výrobě do roku 2039 a recyklace surovin, které se budou vracet do výrobního koloběhu. Ale již dnes jsou vozidla z 95 % recyklovatelná.“
Jak dlouho bude trvat, než vznikne reálný trh pro využívání recyklovaných surovin z elektromobility?
„Za osm až deset let budou již pro recyklaci k dispozici významné počty akumulátorů z vozidel. Pak se budou do výrobního koloběhu vracet především kobalt, nikl, měď a později i křemík. Již dnes máme procesy jak vracet recyklované suroviny zpět do výrobního koloběhu. V současnosti tak již činíme s našimi zkušebními akumulátory. Vytvoření funkčního trhu s recyklovanými surovinami je pro Evropu důležité i z politického hlediska, protože má minimum vlastních primárních zdrojů.“
Jaké materiály se používají v akumulátorech?
„U lithio-ionového akumulátoru je konstrukce článků podobná ať už se jedná o akumulátor pro mobilní telefon nebo elektromobil. Vždy obsahuje dvě fólie z kovu, například mědi a hliníku. Na jejich okrajích se nacházejí póly, katoda a anoda, mezi nimiž probíhá elektrochemická reakce. K tomu je zapotřebí kov s vysokou reaktivitou jako je lithium. Nejvyšší náklady připadají na složení katody, tedy kladného pólu akumulátorového článku. Tu tvoří směs niklu, manganu a kobaltu. U anody se používá grafitový prášek, lithium, elektrolyt a separátor.“
Důležitým, často zmiňovaným tématem je kobalt, s jehož těžbou je opakovaně spojováno porušování lidských práv a poškozování životního prostředí, a to zejména tehdy, pochází-li z Konga. Co proti tomu dělá Daimler?
„Vyvinuli jsme přístup, jehož cílem je, aby dodavatelé splňovali naše požadavky na trvalou udržitelnost. V rámci toho vytváříme mimo jiné větší transparentnost v dodavatelském řetězci. Za tím účelem jsme pověřili externí auditorskou společnost, která zajišťuje transparentnost na všech stupních dodavatelského řetězce kobaltu podle standardů OECD včetně průběžných kontrol. Elektromobilita je totiž opravdu trvale udržitelná pouze tehdy, když i těžba surovin bude probíhat za trvale udržitelných podmínek.“
V současnosti neexistují žádné brzké alternativy lithio-ionových akumulátorů?
„Pro určité druhy použití alternativy existují. V těchto případech se jedná dokonce o technologie, které svými vlastnostmi lithium-iontové akumulátory překonávají. Mezi ně patří akumulátory s pevným elektrolytem, které budeme od poloviny roku 2020 používat v našem městském elektrobusu Mercedes-Benz eCitaro. Tato technologie má velmi dlouhou životnost a navíc neobsahuje kobalt ani nikl nebo mangan. Má však nižší energetickou hustotu. Proto jsou tyto akumulátory relativně velké a navíc je není možné rychle nabíjet. Jsou tedy dobře využitelné pro užitková vozidla, nikoli však pro osobní vozy. V nich nás budou ještě řadu let doprovázet lithium-iontové akumulátory.“
Co se stane příštím „svatým grálem“? Jsou akumulátory s pevným elektrolytem budoucností?
„Technologie, která nahradí lithio-ionové akumulátory, není jen jedna. Ať se jedná o články s pevným elektrolytem, anodami z lithia a kovu nebo lithio-sírové systémy, všechny technologie se vzájemně liší specifickými požadavky na materiály, možnostmi využití i stupněm vyzrálosti. Každá technologie má své výhody a nevýhody. Ne hned za rohem – ale ani v příliš vzdálené budoucnosti – se nyní nacházejí akumulátory, u nichž může být grafitová vrstva anody nahrazena novými materiály, jakými jsou například lithio-kovové fólie nebo křemíkový prášek. Obojí velmi výrazně zvyšuje energetickou hustotu. Tím se prodlouží dojezd a podporováno by mohlo být i rychlé nabíjení. Všechny akumulátory s pevným elektrolytem nabízejí velké výhody v oblasti bezpečnosti, pracujeme však ještě na technologii rychlého nabíjení a na delší životnosti, abychom pak mohli s ohledem na naše osobní automobily říci: Toto je technologie, kterou bychom nyní měli uvést na silnice.“
A jaké budou další kroky?
„Lithium-síra je jedna možná alternativa. Pokud bychom v dnešních akumulátorech používaný nikl a kobalt nahradili sírou, mohli bychom výrazně zvýšit trvalou udržitelnost. Energetická hustota nabízí rovněž velký potenciál, ale životnost ještě není dostatečná a bude ještě nějakou dobu trvat, než v této oblasti dojde k průlomu. Akumulátory lithium-vzduch obsahují opravdu pouze lithium. Zbytek - tedy kyslík - je jednoduše přiváděn ze vzduchu. Z chemického hlediska je to podobný koncept, jaký používáme v palivových článcích na vodík. Energetická hustota by byla vynikající, ale tato technologie je spíše otázkou vzdálenější budoucnosti.“
S vaším výzkumným vozidlem Vision AVTR jste učinili další krok směřující do vzdálenější budoucnosti. Je technologie organických akumulátorů opravdu jednou z možností?
„Mercedes-Benz prezentuje se studií Vision AVTR vizi trvale udržitelné mobility bez emisí, a to i v oblasti poháněcí techniky. Poprvé je revoluční akumulátorová technologie založena na organickém chemickém složení článků na základě grafenu (extrémně tenká forma uhlíku, strukturou podobná grafitu), a tím kompletně eliminuje vzácné, zdraví škodlivé a drahé kovy. Elektromobilita se tak stane nezávislou na fosilních zdrojích. Naprostou revoluci představuje stoprocentní recyklovatelnost kompostováním. Kromě exponenciálního nárůstu energetické hustoty ohromuje tato technologie také svými výjimečnými předpoklady pro rychlé nabíjení. Organické akumulátory jsou v současnosti součástí našeho základního výzkumu. Bude sice ještě trvat řadu let, než budou moci být zařazeny do výbavy vozidel Mercedes-Benz, ale potenciál k tomu mají!“
Další články
© 2025 autoweek.cz. Veškerá práva vyhrazena | O autoweek.cz