Tomáš Kazda z brněnského VUT s kolegy si před dvěma lety připsal zajímavý vědecký úspěch. Získali evropský patent, který by mohl pomoci řešit některé problémy slibné technologie pro vývoj další generace bateriových článků.
Nové bateriové články vyvinuté v brněnské VUT by měly být založeny na kombinaci jednoho již osvědčeného a jednoho v bateriích nezvyklého materiálu: lithia a síry. V čem jejich nápad spočívá, proč přilákal zahraniční investory a jak to vypadá s realizací, si můžete přečíst v následujícím rozhovoru.
Doc. Ing. Tomáš Kazda, Ph.D.
Vystudoval Fakultu elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, obor elektrotechnologie. V Ústavu elektrotechnologie, elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno se věnuje výzkumu technologie bateriových článků. Před dvěma lety podal evropský patent na přípravu elektrody lithium-sirné baterie, která by mohla nabízet v mnoha ohledech výrazně lepší parametry než současná lithno-iontová technologie.
Proč jste se věnovali vývoji právě lithium-sirných baterií?
Mají obrovský potenciál. Velmi jednoduše řečeno by teoreticky mohlo jít o výkonné a levné baterie s velkým potenciálem z pohledu recyklace.
Nakolik jsou vámi vyvíjené baterie odlišné od stávajících?
V současnosti používané aktivní materiály kladné elektrody se skládají nejčastěji z oxidů kovů a lithia, tedy sloučenin lithia, kyslíku a dalších, někdy vzácnějších či dražších kovů, jako je kobalt. V našich článcích tvoří kladnou elektrodu prakticky čistá síra. Místo řady drahých kovů tedy využíváme jen jeden prvek, a to síru, která je schopna na sebe navázat dva atomy lithia. Tedy dvojnásobek, než zvládají nyní používané materiály.
Energetické hustota takové baterie by tedy mohla několikanásobně převyšovat stávající lithno-iontovou technologii. [Tomáš Kazda výraz lithium-iontová nerad používá, protože může budit mylný dojem, že je v dnešních elektrodách používáno čisté lithium — pozn. red.]
I když vezmeme v potaz, že sírová elektroda pracuje s nižším napětím, mohla by mít kapacitu kolem 3 000 Wh/kg. Dnes používané katodové materiály mají stejný parametr někde kolem 500—600 Wh/kg. Pokročilejší mají teoretické limity kolem tisíce. I kdyby se tedy nešlo na 100 % teoretického maxima materiálu, ale třeba jen na polovic, je to pořád lepší výsledek než teoretické maximum materiálů, jejichž využití je možné dnes.
A co cena?
Síra je velmi dobře dostupný a levný materiál. Vlastně je to odpad z mnoha dnes používaných průmyslových procesů. Samozřejmě, článek nebude tvořen výhradně a jen sírou, nepochybně bude obsahovat i nějaké další příměsi, například kovy. Už proto, že čistá síra je izolant, takže v elektrodě musí být nějaký vodivý materiál. Ale podíly příměsí by měly být spíše malé. Z technického hlediska je výhodné mít zastoupení síry co nejvyšší, protože jednoduše řečeno čím více síry je v baterii, tím vyšší je její kapacita. To by mělo být výhodou i při případné recyklaci baterií.
A proč to v praxi nejde?
Ono to do jisté míry jde. Překážkou je ovšem fakt, že síra během nabíjení a vybíjení mění svoje skupenství. Začíná a končí jako pevná látka, mezitím však prochází fází tekutou, mění se tedy na kapalinu. Baterie tak může snadno ztrácet aktivní materiál a její výkon a kapacita pak bude rychle klesat, což zkracuje životnost. Články se velmi rychle ničí, rychle degradují. Do značné míry je to dáno i tím, že síra při nabíjení poměrně výrazně mění svůj objem, zhruba o 80 %. Při nabíjení a vybíjení se elektroda de facto roztrhá.
Což není problém pouze síry, ale například i jinak slibných křemíkových elektrod.
Ano, podobné je to i u křemíkových elektrod, kde jsou změny objemu ještě výrazně větší. Křemík mění svůj objem zhruba o 270 %, takže tam jsou změny ještě výraznější. Ale ani v případě síry nejde o triviální problém.
Změna objemu o 80 % je výrazná. Konstrukce elektrody to musí brát v potaz a zatím se nenašlo dobré řešení. Na trhu je dnes jediná firma, která vyrábí lithium-sirné baterie, britská Oxis Energy. Jak to sleduji, u jejích baterií se postupně zvyšuje energetická hustota, ale nedaří se zatím prodlužovat životnost, tedy počet nabíjecích a vybíjecích cyklů, které baterie může podstoupit, než její výkony příliš klesnou nebo úplně přestane fungovat. U Oxisu je životnost zatím příliš nízká, někde kolem stovky cyklů. [Pro srovnání, současné lithno-iontové akumulátory některých výrobců mají mít zaručenou životnost v řádech jednotek až desítek tisíc cyklů, za poklesu kapacity v průměru zhruba o pětinu — pozn. red.]
Vy máte od roku 2018 podán evropský patent, který má problém řešit a životnost lithium-sirných baterií zvýšit. Jak?
Je to kombinace různých řešení. Řešila se struktura samotné síry pro výrobu. V rámci výzkumu a pak patentu jsme se například zabývali výběrem a zkoušením různých pojiv pro materiál elektrody. Tedy materiálů, které síru drží pohromadě a poskytují jí také pružnost, aby se mohla vyrovnat se změnami objemu. Tedy aby se neroztrhla. A pak jsme hledali způsoby, jak velmi zjednodušeně vytvořit kolem aktivního materiálu ochranný obal.
Jaké materiály se na to používají?
Jde převážně o uhlíkové materiály. Vlastně bychom mohli říci, že jde o saze. Ale musí jít o materiál s přesně danými vlastnostmi a parametry, nikoliv obyčejné saze. Nicméně jde o materiály, které se k výrobě baterií už používají.
Jakých výsledků jste dosáhli?
Nejlepší článek, který jsme vytvořili, je maličký článek o velikosti mince, vydržel zhruba 350 cyklů, a přitom přišel zhruba o 8 % své původní kapacity. To byl náš nejlepší výsledek z těch mnoha pokusů, které jsme dělali.
To se blíží vlastnostem některých článků na trhu. A pokud se článek nezničil, zdálo by se, že vydrží i více. Proč jste neměřili dál?
S měřením jsme přestali, abychom nezabírali naše omezené testovací kapacity. Podobné zkoušky jsou časově dost náročné a já musím myslet i na své kolegy. A musím znovu upozornit, že šlo skutečně o malinký článek s plochou jen pár centimetrů čtverečních. Ten výsledek také neznamená, že by stejně vyrobený článek s plochou elektrody řádově stovek čtverečních centimetrů, jaké se používají pro elektromobily, vydržel také tolik. Tak jednoduše škálovatelné baterie nejsou. Na velké ploše se například snadno může projevit nerovnoměrnost v rozložení materiálu, nějaká anomálie, kvůli které se pak celá baterie zničí. Spousta věcí, které se dají udělat v laboratoři, jsou ve výrobě nepoužitelné či nepraktické, a tak tomu bylo i u nás.
Nemáte nějaký konkrétní příklad toho, co v laboratoři funguje dobře, ale ve výrobě se nepoužije?
My jsme například pracovali v rámci jednoho experimentu se sírou, která byla připravena za velmi nízkých teplot, v systému chlazeném tekutým dusíkem [tedy teplot kolem cca −196 °C — pozn. red]. Probíhalo to tak, že ji kolegové v Pardubicích roztavili, pak ji dali do tekutého dusíku, aby se při prudkém podchlazení měnila na sklo a rozemlela ve speciálním mlýnku. Vznikl tak velmi jemný prášek, který měl tak dobré vlastnosti, že jsme mohli v elektrodě mít 80 % síry místo běžných 60. Za běžných teplot totiž v materiálu vznikaly hrudky, které zhoršují vlastnosti baterie. Při zpracování za nízkých teplot se dařilo ten problém do značné míry odstranit.
Jinak řečeno, elektroda pak byla schopna udržet mnohem více energie…
Ano, přesně tak. Ale bylo to náročné. Celá příprava, včetně mé práce na přípravě pasty pro elektrodu, musela probíhat za nízkých teplot, tedy v mrazáku. Vzniklá elektroda pak měla dobré výsledky, ale samozřejmě ve výrobě něco takového není možné.
Proč je patent tak široký? Tím myslím, proč zmiňuje nejen síru, ale i další materiály?
Protože existují i jiné relativně slibné materiály, u kterých jsou základní problémy v podstatě stejné jako u lithium-sirné baterie. Například by bylo možné použít místo lithia sodík. Takový systém má nižší teoretický výkon než lithium-sirné akumulátory, ale vyšší než lithium-iontové akumulátory. Sodík je přitom velmi snadno dostupný, a tedy i levný. Takže takový systém by mohl mít výhodu v ceně. Podobné by to mohlo být v případě použití hořčíku.
V jaké fázi je realizace patentu?
Evropský patent jsme podali ve spolupráci s norskou firmou Graphene Batteries. Ta se stala součástí projektu, v jehož rámci by se na jihu Norska měla v příštím roce zahájit výstavba továrny na klasické lithno-iontové akumulátory. Podobných závodů se staví dnes řada, plánovaná produkce této továrny by měla být nakonec až 32 GWh baterií ročně. První část stavby má být hotová v roce 2024, pak se postupně mají přistavit tři další moduly, než se dosáhne zmíněné úrovně výroby.
Ale to se pořád bavíme o klasických lithno-iontových akumulátorech. Pro nás je důležité, že součástí má být i zkušební provoz na výrobu lithium- sirných akumulátorů, realizovaný na základě našeho patentu.
Nebudou se tam tedy vyrábět baterie přímo pro zákazníky, jde pořád o výzkum a vývoj. Nicméně pokud se zkušební linka a na ní vyrobené li-thium-sirné baterie osvědčí, bude v rámci továrny následně zahájena i jejich komerční sériová výroba. Ta v současnosti nikde na světě neprobíhá.
Na vývoji je tedy ještě spousta práce, kterou my ani dělat nemůžeme. V České republice není jediná linka, kde by se daly podobné experimentální baterie vyrábět. Například články s našimi elektrodami si norská strana nechala vyrábět a kompletovat v německém výzkumném ústavu. U nás nic takového není možné.
Jak je nastavena případná dělba zisku z výroby?
Můžete si představit, že to je podobné jako v případě léků profesora Holého. Pokud dojde na výrobu, dostaneme část ceny z každé prodané baterie.
A kdy by se mohly prodávat?
Opakovaně se ukazuje, že technologické novinky v bateriích se do praxe zavádějí po asi 10 až 12 letech. Já nechci tvrdit, že to tak musí být, ale takové jsou zhruba zkušenosti. I v tomto případě zbývá ještě spousta práce, náš patent neřeší zdaleka všechno. Na lithium-sirné baterie musíte mít jinou výrobní linku než na lithno-iontové, ta se musí postavit, vyzkoušet a vyladit.