Starší z nás si možná vzpomenou na projekt elektroautomobilů, který probíhal na VUT Brno v 70. a 80. letech. Období po první vážné ropné krizi bylo příznivě nakloněno myšlence náhrady fosilních paliv k pohonu vozidel elektřinou a výzkum byl aktuální. I když předběhl dobu. Naštěstí pro progresivně myslící odborníky z VUT, jimž dnešní doba dává novou příležitost výzkumu (a to nejenom v oboru zaplavovaných olověných akumulátorů, ale i dalších způsobů jak vyrábět či skladovat elektrickou energii), si výzkum zachoval jistou kontinuitu. citované období a aktuálně řešené problémy jsme se zeptali doc. Ing. Petra Bači, Ph.D., vedoucího Ústavu elektrotechnologie Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno. Vraťme se stručně k období prvotních pokusů. Jak probíhaly další práce na výzkumu akumulátorů na Ústavu elektrotechnologie? Od doby, kdy se na VUT Brno postavily elektromobily EMA 1 a EMA 2, poháněné olověnými (a později nikl-kadmiovými) akumulátory, probíhá na Ústavu elektrotechnologie kontinuální výzkum elektrochemických zdrojů elektrické energie. Tehdejší zkušenosti s vozidly byly pozitivní. I když následné uplatnění dost minimální. Důvody asi není třeba rozebírat. Vědecké poznatky si i přesto uplatnění našly. Vývoj a výroba olověných akumulátorů doznaly v 80. letech zásadních změn. Původní (tzv. zaplavovaná) konstrukce akumulátoru, kdy elektrolytem byla volně pohyblivá kyselina sírová (což přinášelo různá rizika a nebezpečí), se nahradila konstrukcí VRLA – konstrukcí ventilem řízeného olověného akumulátoru. Jedná se o poněkud zavádějící pojmenování. Dostalo se i do oficiální terminologie a díky špatnému překladu se objevuje také v normách. Správně mluvíme o olověném akumulátoru s regulačním ventilem. Jde o nerozebíratelný bezúdržbový systém s uzavřeným kyslíkovým cyklem, v němž je kyselina sírová ve znehybněném stavu: buď nasáklá v separátoru, nebo ve formě gelu. Při přebíjení vyvíjený kyslík na kladné elektrodě přechází na zápornou, kde se redukuje. Záporná elektroda je v tomto případě v nevýhodě. Nikdy nedosáhne plného stavu nabití, protože kyslík ji chemicky „vybíjí“. Takto jednoduše popsaný systém nového olověného akumulátoru však vyžadoval několik zásadních konstrukčních změn. První byla záměna separátoru, kdy původní modifikovanou celulózu nahradila po mnoha zkouškách netkaná textilie ze skelného vlákna. Dalším vývojem se došlo k několikavrstvým separátorům, s přídavky dalších složek, které optimalizovaly rychlost a intenzitu přechodu kyslíku z jedné elektrody na druhou. Další změnou bylo nové složení kolektoru. Tedy složení mřížek z olověných slitin, na něž je nanesena kladná a záporná hmota. V zaplavené konstrukci se používala slitina olova s antimonem pro lepší mechanické vlastnosti a snadnější odlévání desek. Nicméně se zde objevovala tzv. antimonová otrava: antimon z kladné elektrody se dostával na zápornou a zvyšoval vývin vodíku na této elektrodě. Tím se snižoval efekt kyslíkového cyklu a baterie neměly dostatečný výkon. Řešil se tedy problém náhrady antimonu, až se našel dobrý poměr olova, cínu, vápníku a dalších aditiv. Lze říci, že ty akumulátory jsou pro případné využití nejenom v elektromobilech, ale i pro skladování energie, o hodně lepší a vhodnější? Určitě. Akumulátory se vyvíjely soustavně už od počátku, asi od roku 1959. To, co jsme popsali, však byl vývojový skok učiněný v období řekněme 5-10 let, kdy technologie zaplavovaných akumulátorů doznala zásadních změn. Byl provázen i obtížemi. Hovořilo se o PCL efektu (premature capacity loss), tedy o předčasné ztrátě kapacity, neboť nové konstrukce akumulátorů vydržely 20-30 cyklů. Pak akumulátor ztratil kapacitu a byl nepoužitelný. Výzkum a vývoj akumulátorů v našem ústavu probíhal už od 60. let. Já jsem do něj vstoupil v roce 1990, v týmu pod vedením doc. Calábka. V I. polovině 90. let jsme byli osloveni nadnárodním konsorciem ALABC (Advanced Lead-Acid Battery Consorcium) se sídlem v Kalifornii, které sdružuje asi 80 % výrobců olověných slitin a olověných akumulátorů, zda se chceme připojit k vědecko-výzkumným skupinám konsorcia. To vypisuje každé 2-3 roky grantové projekty a naše pracoviště se od roku 1994 (sice ne nepřetržitě, ale dodnes) podílí na řešení vývoje v rámci oněch grantů. Můžeme definovat o jaký grant se jedná a na jaký cíl je zaměřen? Olověný akumulátor má samozřejmě velké výhody, ale i nevýhody. Navíc se otevírají nové možnosti využití, kupř. nasazení v hybridních automobilech nebo do ostrovních systémů. Tedy do nezávislých systémů výroby a využití energie bez napojení na síť. Příkladem je skladování energie z alternativních zdrojů energie. A to vyžaduje nové vlastnosti akumulátorů, dosud nežádané. Nároky kladené na akumulátory u obou uvedených způsobů využití jsou podobné. Olověný akumulátor zde musí pracovat v částečném stavu nabití. Tedy: musí se dlouhodobě pohybovat mezi 30-70 % nabití. Tento režim provozu zapříčiňuje vznik problémů, které za uplynulých 150 let vývoje nebylo nutné řešit. Dnes kupř. mluvíme o PCL 3 efektu, tedy o III. generaci předčasné ztráty kapacity. Je způsobená tím, že akumulátor je po celou dobu života nucen pracovat v polovybitém stavu. Po 150 let byla hlavním důvodem konce životnosti akumulátoru kladná elektroda. A nyní (u PCL 3 efektu) není problematická kladná, nýbrž záporná elektroda. Cílem naší práce a našeho grantového úkolu je nalézt optimální složení záporné elektrody tak, aby PCL 3 efekt byl co nejmenší. Tedy vlastně materiálový výzkum? Přesně tak. A nejenom vývoj složení nové směsi na záporné elektrodě, ale i výrobní postup, jak ji zajistit. Navíc, musíme se snažit najít i vysvětlení, co záporné elektrodě pomáhá a co jí naopak škodí. To je doposud vědecký problém. Víme, že pro směs záporné elektrody je velmi přínosný uhlík. Neví se ale proč. Navíc ne každá forma a druh uhlíku má pro akumulátor pozitivní vlastnosti. Nikdo zatím vědecky nezdůvodnil, proč právě ten-který konkrétní uhlík má pozitivní vlastnosti. Nabízí se asi 6 teorií, s nimiž přišly různé vědecké týmy. Jedna z nich je z našeho pracoviště, jmenovitě od RNDr. Micky, jenž vloni bohužel zemřel. Žádná však bezezbytku nevysvětluje citovaný fenomén. Zatímco se jiná pracoviště vrhla především na nahledání optimální formy uhlíku pro zápornou elektrodu, my jsme se pustili do hledání dalších materiálů. Takových, které by měly podobné vlastnosti jako uhlík, ale určitou vlastností by se od něj lišily a nebyly by třeba vodivé. V tomto hledání jsme byli úspěšní. Už v minulosti jsme našli několik aditiv, jež mají podobné vlastnosti jako uhlík. Navíc se nám podařilo (díky různým programům EU i regionálního rozvoje) vybavit naše laboratoře na špičkovou světovou úroveň. Nyní můžeme dělat analýzy, jež byly v celosvětovém měřítku doposud nedostupné. Takže nejenom, že hledáme další materiály a jejich vzájemné kombinace. Snažíme se také vysvětlit, co ovlivňuje chování různých materiálů a čím se různá aditiva liší. Jak vidíte nové možnosti skladování elektrické energie? Několik velkých výrobců se snažilo realizovat demoprojekty (kupř. na Aljašce) nebo v různých ostrovních systémech vědeckých expedic. To by byl jistě průlomový objev. Vzpomenutý aljašský projekt je založen na nikl-kadmiovém systému akumulátorů. Třebaže v USA mají podobně přísné předpisy co do využití nikl-kadmia, v Evropě je tento systém v útlumu. USA se vydaly jiným směrem. I když se dodavatel musel zavázat k velmi přísným pravidlům a po ukončení projektu ke 100procentní recyklaci celého zařízení. Nyní je ve světě instalováno několik desítek (převážně demonstračních) projektů, spojujících zdroje energie a úložiště energie, kdy olověné akumulátory jsou pouze jednou z možností. Na ukládání přebytků energie se intenzivně pracuje a nové možnosti se nabízejí nejenom v tradičních akumulátorech, ale především ve využití lithia. Zvláště slibně se jeví nové systémy lithium- síra či lithium-vzduch. Předpokládá se, že zdroje lithium-síra by mohly nalézt komerční využití někdy kolem roku 2025 a lithium-vzduch kolem roku 2050. /bal/
