Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 4. díl: Jaké jsou limity lithiových baterií

Pro některé z nás mohou bateriová elektrická vozidla představovat fenomén několika posledních let, pravda však je, že do 20. let minulého století zaznamenávaly elektromobily úspěch a rozvoj takový, že díky svému lepšímu výkonu a možnosti okamžitého startu zdatně konkurovaly vozidlům se spalovacími motory. Do roku 1920 se vyrobilo na stovky tisíc elektromobilů – bylo to ovšem téhož roku, kdy se elektrická vozidla prakticky již přestávala vyrábět. Důvodem, proč skončila jedna epocha elektromobility, byla především malá specifická energie olověné baterie. Specifická energie (Wh.kg-1) udává, kolik energie je možné uložit do 1 kg hmoty příslušné baterie (buď samotné, nebo včetně příslušenství pro její nutné chlazení), přičemž specifická energie olověné baterie představovala pouhých 30 Wh.kg-1, kdežto výhřevnost benzinu E5 odpovídá 11 700 Wh.kg-1. Není tedy čemu se divit, že se po roce 1920 prosadila právě vozidla na konvenční pohon. Tato situace se začala měnit znovu v roce 1996, kdy koncern General Motors vyrobil a představil elektromobil Electric Vehicle 1 (EV1), tedy prvního představitele bateriových elektrických vozidel vybaveného NiMH baterií a s dojezdem až 257 km. Prozatím poslední skutečný zlom zaznamenala elektromobilita v roce 2005, a to díky širokému prosazení a postupnému zdokonalování lithiových akumulátorů v oblasti spotřební elektroniky. Jsou to právě lithiové baterie, jejichž specifická energie narostla 4krát oproti původně používaným olověným článkům. V současnosti dosahují Li-Ion články okolo 120 Wh.kg^-1 (ty špičkové i přes 200 Wh.kg^-1, jak uvádějí údaje v článku Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu, kol. autorů, Elektro 11/2016), a tak sice z hlediska objemové hustoty energie (udávané ve Wh.m^-3) a výkonu překonaly ostatní bateriové články, ale přece jen je jejich specifická energie ve srovnání s průměrnou výhřevností benzinu, představující 11 700 Wh.kg^-1, stále nedostačující (průměrná výhřevnost nafty je 11 800 Wh.kg-¹⁾.

V obou případech je v úvahu brán povinný obsah biosložek. Shodou okolností má nafta objemovou výhřevnost 9,93 kWh.l-1, tedy prakticky 10 kWh.l-1, benzin pouze 8,7 kWh.l^-1. Při srovnávání hustoty uložené energie je zapotřebí vzít v úvahu ještě odlišnou účinnost jejího zpracování v motoru vozidla, která je podle výsledků jízdních zkoušek asi 2krát až 2,5krát vyšší u elektrického pohonu. Srovnatelná energetická hustota obou uhlovodíkových paliv je pak mezi 4 700–5 800 Wh.kg^-1, tedy stále více než o řád větší než u baterií.

U baterie je potřeba rozlišovat mezi specifickou energií v samotných bateriových článcích, která je vyšší, a specifickou energií celé baterie s chlazením, kde je energie v článcích vztažena k hmotnosti celého systému baterie včetně chlazení, řídicí elektroniky, nosné konstrukce a obalu. Námi uvedená hodnota 120 Wh.kg-¹ se vztahuje k celé baterii.

Specifická energie anebo její hustota představují pouhé dva z mnoha parametrů, jejichž prostřednictvím se akumulátory obvykle popisují. Patří mezi ně mimo jiné kapacita (udávaná v Ah při určitém napětí nebo přímo jako energie v kWh), maximální vybíjecí a nabíjecí proud (udávaný v A, popř. jako výkon ve W) – přičemž obvykle platí, že baterie má buď vysokou specifickou energii, nebo vysoký specifický výkon – jmenovité napětí (V), rozsah pracovního napětí anebo třeba počet cyklů, udávající počet nabíjecích a vybíjecích cyklů, které při dané hloubce vybíjení proběhnou od začátku používání baterie do konce jejího provozu, který je zpravidla definován snížením kapacity na 80 % jmenovité hodnoty garantované výrobcem.

K tomu se váže jeden podstatný nedostatek elektromobilů, a to ekonomický důsledek omezeného počtu nabíjecích cyklů baterií v podobě parametru LCOS (podrobněji k tomu Sadil, Parlamentní magazín 5/2012). Jde o to, že náklady na elektromobily, jejichž pořizovací cena je nejen v porovnání s cenami klasických vozů stále příliš vysoká, se mají ekonomicky vrátit na provozních nákladech, které jsou ve srovnání s těmi vynakládanými na provoz klasického automobilu naopak nižší. Jenže když se do ceny „paliva“ promítne rovněž opotřebení baterie, vyšplhá se cena, již uhradíme jak za elektřinu, tak za opotřebení baterie, na úroveň ceny nafty, která se pohybuje kolem 2 Kč.km^-1.

My se v tomto článku ale blíže zaměříme na parametr specifické energie, poněvadž za další z největších nedostatků elektromobilů se považuje právě poměr uložené energie a hmotnosti akumulátoru. V čem tkví problém? (V následujícím vycházíme z údajů uvedených v článku Lithium: Nejdůležitější součást elektromobilů?, Nalezeno.cz, 17. 10. 2011. Především však zužitkováváme informace laskavě poskytnuté dr. Jindřichem Sadilem, Ing. Josefem Morkusem a prof. Janem Mackem.) Elektrony se navzájem odpuzují, a tak se poblíž záporně nabitého elektronu musí vyskytovat nějaký kladný náboj téže velikosti. Takové jsou přítomny na kladně nabitých iontech kovu, v tomto případě lithia, který je obsažen v záporné elektrodě, zdroji elektronů, jejichž záporný náboj je tak tímto kladným vyrovnáván. Atomová jádra iontů se ale skládají z protonů a neutronů, až 2 000krát těžších než elektrony. Konkrétně atomové jádro lithia obsahuje tři protony a čtyři neutrony, a je tudíž 14 000krát těžší než elektron. Záporný náboj elektronů se musí vyrovnávat kladnými náboji iontů (vytvářejícími dohromady elektricky neutrální atomy lithia), čímž se podstatně navyšuje hmotnost účastná na přenosu elektrické energie. Tím je tedy zčásti dána nízká specifická energie lithiových baterií (tedy nízká ve srovnání s výhřevností benzinu či nafty, ale nikoli ve srovnání s jinými druhy baterií). Lithium je ovšem na záporné elektrodě zapotřebí uložit do nějaké struktury – často se nyní používá grafen, nanovrstvený uhlík v grafitu.

Co se týká kladné elektrody, resp. hmoty, z níž by bylo ideální ji zhotovit, nabízel by se fluor, kdyby se ovšem nejednalo o tak reaktivní prvek, že by se sotva nalezly materiály, s nimiž by se snesl. Materiál kladné elektrody musí být schopen chemicky vázat lithiové atomy, jejichž ionty přecházejí při vybíjení ze záporné elektrody na kladnou a uvolňují elektrony do vnějšího elektrického obvodu, který je z článku napájený. Ty se pak na kladné elektrodě opět spojí do elektricky neutrálního lithiového atomu. V současných lithiových bateriích se jako materiál kladné elektrody používají oxid kobaltu s podporou niklu a manganu a ve starších bateriích pak fosforečnan železitý – ty dávají s lithiem komplexní sloučeniny. V prostoru mezi zápornou a kladnou elektrodou musí být dále co nejtenčí vrstva iontově vodivého elektrolytu s izolační přepážkou, neprostupnou pro elektrony. Z těchto důvodů je hmotnost článku o mnoho řádů vyšší, než by odpovídalo jen potřebnému množství lithia. Nabíjení pak představuje opačný proces, „přetahující“ kovové lithium na zápornou elektrodu.

Materiál kladné elektrody, záporné elektrody a elektrolyt spolu s hermetickým obalem jsou tudíž hlavními faktory, jež o mnoho řádů navyšují hmotnost článku. Obal je důležitý proto, že oxidace kovového lithia by byla velmi prudká a uvolnila by velké množství energie. Ostatně z toho důvodu jsou havárie lithiových baterií tak nebezpečné. Navíc je nutno zajistit vodivé spojení mnoha článků do série, které zvyšuje napětí na používaných 200–800 V, dále systém elektronické regulace proudu, systém balancování jednotlivých článků baterie a konečně i chlazení (obvykle kapalinové) pro celý systém. Tím specifická energie baterie značně klesá, jak bylo již řečeno.

Snahy vývojářů bateriových článků se tak soustředí na možnost nahradit kov utvářející kladnou elektrodu nějakým lehčím prvkem (a prvkem zároveň levnějším než momentálně cenově nejvýhodnější kobalt), přičemž výhledově nejvhodnější by byla baterie kov–vzduch. Protože kladnou elektrodu tvoří vzduch, nezatěžuje to baterii přídavnou hmotností a podstatně to navyšuje její energetickou hustotu. Na rozdíl od zinko-vzduchových článků, které se již objevují na trhu pro velmi malé výkony a dochází k jejich ustavičnému laboratornímu zdokonalování, vyskytují se lithium-vzduchové baterie prozatím jen v laboratořích. Spíše optimističtější výhledy odborníků na zavedení těchto akumulátorů do praxe počítají zhruba s desetiletím (Pavel Houser, Sciencemag.cz, 12. 10. 2018). Podobné vyhlídky mají i baterie lithium-síra, které sice jsou cenově slibné, a přece jim opět do použitelnosti chybí nejméně 10 let dalšího vývoje, a to kvůli dosud nezvládnutému problému s rychlým klesáním kapacity s časem provozu, jak plyne z výsledků několika evropských projektů v rámci programu Horizon 2020. V bateriích s výhodou se ovšem rovněž uplatňují nanomateriály, mezi něž náleží i již zmíněný grafen. Díky nanomateriálům se totiž při zachování téže velikosti, jakou běžně mají ostatní baterie na trhu, anebo dokonce při jejím zmenšení, mnohonásobně zvětší povrch elektrod, což by nemělo mít pozitivní účinek pouze na poměr uložené energie a hmotnosti akumulátoru, ale spolu s tím i na zkrácení doby nabíjení baterie. Ovšem i tyto technologie jsou teprve ve vývoji.

Co se týká použitelného výkonu nabíjení, tedy času stráveného u nabíjecího stojanu nebo výkonu využitelného rekuperací při brzdění, záleží při daném proudu na vnitřních odporech baterie. Ztráty na vnitřním odporu je nutno odvést chlazením baterie tak, aby nebyla překročena teplota, při níž elektrody článků zrychleně degradují (u současných lithiových baterií ne mnoho nad 50 °C). Proto existuje kompromis mezi specifickou energií baterie a jejím výkonem, takže se často používají vedle sebe baterie s nižší specifickou energií, ale vysokým výkonem, a baterie pro vysokou zásobu energie.

Specifická energie akumulátoru nás zajímá především proto, že vyjadřuje poměr mezi energií a hmotností článku, což má svůj dopad na tolik poptávaný a preferovaný dojezd automobilů. Jak ve svém učebním textu upozorňuje Ing. Ivo Celjak (Konstrukce, technické systémy a provoz elektricky poháněných automobilů), představuje hmotnost vozidla jeden ze čtyř hlavních faktorů omezujících jízdní dosah, mezi které náleží rovněž rychlost jízdy a zrychlení, překonávání svahu a způsob, jakým řidič ovládá vozidlo a užívá elektrických spotřebičů, především za účelem ohřevu (elektromobily musejí topit elektřinou z baterie, odpadní teplo z elektromotoru a baterie nedostačuje, viz Některé důsledky hromadného rozšíření elektromobilů pro ČR autorů Ing. Josefa Morkuse a prof. Jana Macka, Stavebnictví 11/19). Je docela zřejmé, že tlak vyvíjený na zvyšování dojezdu bateriových elektrických automobilů je zároveň tlakem vyvíjeným na schopnost baterií účinně ukládat velké množství energie, což si však za současných podmínek nutně vybírá daň v podobě neúměrného nárůstu hmotnosti (a rozměrů) baterie. Čím vyšší je tedy poptávaný dojezd elektromobilu, tím těžší bude muset být jeho baterie, poněvadž řešení relativně malé specifické energie lithiových článků (totiž malé relativně k výhřevnosti benzinu a nafty) je stále ještě otázkou budoucího technologického vývoje, kdežto přechod na elektromobilitu je záležitostí navýsost současnou a aktuální.

Budou-li se požadavky na veliká auta s co možná největším „komfortním“ dojezdem týkat i bateriových elektrických vozidel, pak je při současných technologických možnostech a specifické energii lithiových článků jasné, že se na trhu budou objevovat neúměrně veliké a těžké elektromobily, přičemž výroba trakčních baterií, jež budou muset být o to větší, oč neskromnější zůstane poptávka, bude energeticky tím náročnější a vyprodukuje tím více dodatečných emisí skleníkových plynů (otázce dodatečných emisí CO2 při produkci trakčních baterií jsme se podrobněji věnovali ve druhém díle našeho seriálu MM 3/2020/200341). Má-li přechod na elektromobilitu představovat krok učiněný za dosažením snížení emisí skleníkových plynů a za dosažením uhlíkové neutrality do roku 2050, pak se stane při stávající poptávce po velikých a výkonných automobilech nejen zcela neúčelným, ale naopak jdoucím proti cílům a závazkům Evropské unie a potažmo Pařížské klimatické dohody.

Je při této příležitosti vhodné uvědomit si i následující souvislost: společnost Geotab, operující s reálnými daty z celkem 6 300 elektromobilů (jednalo se o více než 21 modelů BEV), zkoumala průměrnou degradaci jejich baterie. O tomto výzkumu českého čtenáře informovaly dva články, jeden z portálu Elektrickevozy.cz, druhý z Autobible.cz, přičemž oba rozdílně interpretují vliv, resp. míru vlivu rychlonabíjení na degradaci akumulátoru. Ať už se na degradaci baterie podílejí faktory jakékoli – a podle autora článku z Autobible.cz (Lukáš Dittrich, 18. 12. 2019) mezi ně vedle rychlonabíjení patří i chlazení, to, jak velikou rezervu teploty článků ponechá výrobce pro nabíjení a vybíjení při různých atmosférických teplotách –, konečným zjištěním bylo, že průměrně přicházejí elektrická vozidla o 2,3 % kapacity akumulátorů ročně. Luboš Srb, autor druhého zmiňovaného článku (Elektrickevozy.cz, 19. 12. 2019), to ilustruje na tom, že při předpokládaném dojezdu 240 km činí ztráta po prvním roce cirka 5 km dojezdu, po pěti letech pak 27 km dojezdu. V otázce dojezdu elektrického bateriového vozidla svou úlohu sehrává rovněž to, že se v horkých letních dnech – v České republice stále četnějších – anebo při rychlonabíjení musí baterie nezřídka dochlazovat z klimatizačního systému elektromobilu. Tím se ovšem dále navyšuje energetická spotřeba vozidla, a používá-li se klimatizační systém za jízdy, pak se zase snižuje jeho dojezd.

Je jasné, že baterie bude degradovat a dojezd elektromobilu se snižovat v závislosti na tom, jak se uživatel k vozidlu chová, jak často nabíjí a zda při jeho užívání bere na vědomí výše uvedené (a mnohé jiné) faktory zapříčiňující ztráty kapacity akumulátorů. V každém případě poskytují obvykle prodejci speciální záruku na baterii buď na dobu osmi let, nebo na 160 000 km s tím, že kapacita baterie za tu dobu nepoklesne o více než 20 % až 30 %. Na úrovni zmíněných 160 000 km, resp. 200 000 km dochází proto ve většině případů k výměně či opravám baterie. Vzpomeňme si, že podle analytické společnosti Berylls Munich budou celkové emise CO2 automobilů na konvenční pohon a těch elektrických dorovnány právě po ujetí 200 000 km (v závislosti na energetickém mixu dané země – uvedený údaj tudíž platí pro Německo, např. pro Norsko je to pouhých 43 000 km). Ostatně skok na konci přiloženého grafu ukazuje právě nárůst emisí skleníkových plynů po ujetí přibližně 160 000 km. Zhruba řečeno to tedy znamená, že jakmile se v průběhu provozu a užívání elektrického vozidla dorovnají celkové emise skleníkových plynů mezi ním a srovnatelným automobilem se spalovacím motorem (tj. kdy automobil „dožene“ v produkci CO2 elektromobil), bude obvykle muset dojít k výměně baterie.

Závěry švédské studie IVL jsme v našem seriálu již prezentovali, v této souvislosti je ovšem vhodné si připomenout, že podle ní produkuje výroba každé kWh kapacity akumulátoru 150–200 kg CO2. Jestliže skutečně dojde k tomu, že i při nárůstu počtu elektromobilů zůstanou poptávané výkonné vozy s velikým komfortním dojezdem (a výrobci této poptávce vyjdou vstříc), budou muset být elektromobily vybavovány neúměrně velikými bateriemi, jejichž výroba se tak stane energeticky tím náročnější a uhlíkově tím intenzivnější. Čím těžší a větší baterie budou navíc muset být, aby uspokojily požadavek na vysoký výkon a delší komfortní dojezd, tím spíš budou vozidla při postupné degradaci baterie zatěžována značnou mrtvou hmotou, která bude při provozu zvyšovat jejich spotřebu, a tedy i emise při výrobě potřebné elektřiny.

Graf: Závislost CO2 emisí na ujeté vzdálenosti. (Zdroj: www.mazda.com)

Řešení problému nízké specifické energie lithiových baterií, kupř. v podobě zmiňovaných lithium-vzduchových akumulátorů či nanobaterií, jsou sice zatím pouze výhledová, ale můžeme předpokládat, že klimatická politika Evropské unie bude stimulovat další technologický rozvoj a snad ho i uspíší. Přesto tato řešení zůstávají záležitostí budoucnosti, zatímco opatření EU, jež mají vést ke snížení emisí skleníkových plynů v dopravě, především tedy vysoké pokuty za překročení emisních limitů (pro výrobce platné už od příštího roku), jsou navýsost aktuální. Přechod na elektromobilitu, která se má zasloužit o snížení emisí CO2 osobními a lehkými užitkovými vozidly, tak může být nakonec krokem učiněným proti smyslu evropské klimatické politiky anebo proti cílům vytyčeným Pařížskou klimatickou dohodou. Je totiž třeba si uvědomit, že za současných technologických podmínek představuje užívání elektrických bateriových vozů, má-li být jako jedno z dílčích řešení klimatické krize opravdu efektivní a účelné, poměrně zásadní změnu v přístupu k automobilu vůbec. V tomto díle jsme si přiblížili problém nízké specifické energie akumulátorů proto, abychom upozornili na skutečnost, že stávající poptávka po velikých a výkonných vozech může mít za následek tlak na zvětšování hmotnosti a spolu s tím i rozměrů baterie, jejíž výroba je energeticky velice náročná a uhlíkově intenzivní. Viděn z této perspektivy se přechod na elektromobilitu stane jako nástroj řešení klimatické krize účelným tehdy (ale ne pouze tehdy), když se pokusíme uskromnit a přehodnotit své požadavky na výkon, velikost a komfortní dojezd automobilů. Tento článek samozřejmě není apelem na takovou skromnost, chceme jen upozornit na intenzitu a šíři dopadu, jaký bude přechod na elektromobilitu mít, resp. by měl mít, má-li skutečně vést ke snížení emisí skleníkových plynů.

Údaje uvedené v článku byly konzultovány s odbornými garanty seriálu profesorem Janem Mackem a inženýrem Josefem Morkusem z Národního centra kompetence Josefa Božka pro pozemní vozidla. Tento díl byl navíc konzultován také s doktorem Jindřichem Sadilem z Dopravní fakulty ČVUT v Praze.

Mgr. Václav Zajíc, Ph.D.