Vývoj prototypů 3D baterií pokračuje

„Češi jsou z tradice technicky zdatní, ale co se týče managementu a obchodu, tam bych řekl, že hrají až druhou ligu. Nechci se nikoho dotknout, je to myslím dáno historicky, když jsme tu měli vždy nějaké cizí pány,“ říká na úvod své přednášky Jan Procházka a neopomene představit svou firmu Advanced Materials JTJ, která se kromě vývoje baterií věnuje také fotokatalýze (např. prostředky na čištění fasád), dekontaminaci vody (mezinárodní projekt pro Vietnam a Malajsii) nebo izolačním fóliím z nanomateriálů, které mají zvýšit účinnost plynových turbín a leteckých motorů. „Sehnat peníze, vytvořit korporaci a rozjet obchod je třeba ve Spojených státech amerických výrazně snazší,“ pokračuje doktor Procházka a dále podrobně popisuje své zámořské angažmá, kde dlouhá léta pracoval a kde poprvé prezentoval svůj koncept nové technologie 3D baterií.

Mezinárodní konzultační společnost Roland Berger Strategy Consultants GmbH , která má své sídlo také v Praze, predikovala nedávno ve své studii výrazný nárůst celosvětového trhu s lithioiontovými bateriemi. Analytici vypočítali, že do roku 2015 dosáhne téměř 9 miliard USD a do roku 2020 by dokonce mohl přesáhnout hranici 50 miliard USD. Tento růst bude ovšem doprovázen velkými nadkapacitami. Během příštích let převýší produkce baterií poptávku o více než dvojnásobek. To povede podle analytiků ke konsolidaci trhu. Očekávají, že 80 % trhu ovládne do roku 2015 pět klíčových výrobců: AESC (26 %), LG Chem (18 %), Panasonic/Sanyo (15 %), A123 (14 %) a SB LiMotive (6 %). S nárůstem prodejů se předpokládá i to, že výrobci automobilů z Japonska a Koreje udělají maximum, aby získali vedoucí postavení na trhu alternativních pohonných technologií. Jejich podíl na celosvětové produkci dosáhne podle studie do roku 2015 přes 40 %.

„Vzhledem k tomu, že v Asii bude nadále převažovat výroba hybridních vozidel, která využívají převážně niklkovové hybridní baterie, zůstane podíl tohoto regionu na trhu lithioiontových baterií pod hranicí 15 %,“ podotýká Roland Zsilinszky, jeden z autorů studie, a dodává, že v případě elektřinou poháněných autobusů si Čína určitě zachová své přední postavení. „Toho dosáhne díky ambicióznímu vládnímu plánu. Cílí investice do růstových oblastí a také chce dosáhnout zlepšení ovzduší ve městech. Naopak čínský trh elektromobilů v první fázi poroste pomaleji než trh evropský a to kvůli prioritám čínské vlády – nejdříve se zaměřit na hybridní vozidla a čistě elektrický pohon nechat na později,“ dodává Zsilinszky. Pro výrobce baterií představuje tento trend zcela nové příležitosti.

Celosvětovým výzvám naslouchá řadu let i ambiciózní vědec Jan Procházka. Ve své přednášce komentoval současný vývoj celosvětového trhu s lithioiontovými bateriemi a zdůraznil kromě jiného i podmínku vysoké bezpečnosti takovýchto zařízení.

„Špička světového výzkumu a vývoje v oblasti baterií se zaměřuje především na zvýšení rychlosti difuze lithia pomocí stejných materiálů v nanovelikostech, které rozšiřují potenciál využití lithiových článků i k velkým akumulátorům. To bylo ještě nedávno nemyslitelné. S nástupem elektromobilů a následně i obřích lithiových akumulátorů lze očekávat zásadní změny – počínaje surovinami, komponenty či výrobními technologiemi. Podmínkou je zajištění bezpečnosti,“ komentuje výše zmíněnou studii a představuje nový silnovrstvý (3D) akumulátor HE3DA, technologicky pokročilé zařízení, zejména z hlediska dosahované kapacity skladování energie a bezpečnosti.

Vysoká kapacita a bezpečnost 3D lithiových akumulátorů ve spojení s nižšími výrobními náklady, v porovnání s 2D lithiovými bateriemi, umožní podle Procházkova výkladu široké uplatnění nejenom v tradičních oblastech výroby, jako jsou tzv. knoflíkové baterie a baterie do elektroniky. Ideální uplatnění by mohly najít především jako náhrada olověných akumulátorů v automobilech se spalovacími motory, jako velmi výhodné se jeví využití v hybridních automobilech a elektromobilech. Možnost vytvářet spojením více článků mimořádně velké a také mimořádně kapacitní akumulátory nabízí vysoké uplatnění v energetice, jako sklady elektrické energie, umístěné například u větrných a solárních elektráren. Procházkovo řešení by umožňovalo distribuovat od těchto zdrojů elektrickou energii podle aktuálních potřeb energetické sítě.

Společnost Advanced Materials JTJ již vyvinula proces výroby 3D mikrobaterií s 3D (prostorovými) elektrodami na bázi lithiových nanomateriálů (HE3DA) a dále se zaměřila na konstrukci prototypu základní jednotky vysokokapacitního akumulátoru. Testovala široké série malých prototypů článku (kapacitně do 8 Wh), ze kterých vyplývají klíčové informace pro stavbu větších bloků. Tato měření dále pokračují ve spolupráci s Ústavem fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského Akademie věd ČR (ÚFCH AV ČR).

V další fázi výzkumu proběhne přechod na základní jednolitrovou jednotku o kapacitě vyšší než 150 Wh. Práce na tomto prototypu lithiového akumulátoru již začala a počítá se s ním jako ze základní stavební jednotkou pro větší celky. Podstatnou součástí velkých prototypů je propracovaný systém chlazení velkých baterií kapalným médiem/elektrolytem, které technologie tenkých filmů neumožňuje.

3D koncept zabezpečuje:
• mechanickou odolnost proti nárazu a vibracím;
• rozvod elektrického proudu;
• rozvod tepla a chlazení;
• systém chlazení kapalným médiem jako integrovanou součást akumulátoru, přičemž chladicím médiem může být i elektrolyt;
• snadnou prostupnost elektrolytu;
• snadnou výměnu elektrolytu;
• průběžnou regeneraci elektrolytu;
• kontinuální a efektivní odplyňování akumulátoru;
• odolnost proti přehřátí (podle typu aktivních materiálů a elektrolytu lze provozovat tento typ baterie až při 150 °C);
• levnou výrobu lisováním.

Přestože projekt vývoje 3D baterie není zcela bez rizika (Jan Procházka nabídl celou SWOT analýzu), fyzikálněchemické principy procesu jsou velmi dobře reprodukovatelné a byly ověřeny mnoha testy. „Jiná cesta k navýšení kapacity lithiové baterie není na obzoru, ani 2D cesta k využití kovového lithia jakožto materiálu s nejvyšší známou elektrochemickou kapacitou,“ konstatoval doktor Procházka. 3D koncept navíc umožňuje vytvoření kompaktních bezpečných bloků akumulátoru s efektivním vnitřním chlazením, cirkulací a regenerací elektrolytu, odplyňováním a dalšími výhodami, včetně volumetrické kapacity, které jsou v 2D technologii nemožné. „Lze očekávat, že 2D technologie budou dále po zhruba dekádu vyrábět malé baterie, ale tvorba zcela nového marketu s velkokapacitními bateriemi pro automobilový průmysl, záložní zdroje a energetická sila bude vytvořena na bázi 3D konceptu,“ uvedl v závěru přednášky Jan Procházka.

Další technické podrobnosti lze najít na stránkách společnosti HE3DA, která celý projekt vývoje 3D baterie zaštiťuje. Podle nich maximální dosažená hustota energie katody dosahovala přes 1 700 kWh/m3 a anody přes 3 000 kWh/m3. Jako velkou výhodu uvádějí, že zatímco typické lithioiontové baterie používají velmi dlouhý plát fólie s naneseným aktivním materiálem, který se postupně skládá, výroba nové 3D baterie probíhá jednoduše lisováním v průmyslových lisech. Až 100x vyšší tloušťka elektrod umožňuje jak flexibilnější prostorové řešení baterie, tak zvýšení kapacity, a především mnohem levnější výrobu. Za nevýhodu naopak považují nestabilní ceny materiálů a jejich malou dostupnost, další skokový nárůst trhu s klasickými lithiovými bateriemi po zavedení výroby velkokapacitních baterií pro automobilový průmysl a skladování energie (Procházkův odhad je zdesetinásobení trhu do r. 2017) a nedostatek finančních prostředků pro další vývoj.

A kdy bude 3D baterie na trhu? „Naším hlavním cílem je najít vhodného strategického partnera pro vývoj a výrobu velkých celků, na které už naše peníze nestačí. Jednání již probíhají a jasno by měl přinést letošní rok. Pokud to vyjde, udržíme si náskok a bude to obrovský úspěch,“ říká Procházka, který má svůj nápad patentovaný nejen v Evropě, ale i v USA a Číně. Dostatečně velká partnerská firma by měla pomoci s vývojem a následně zajistit výrobu středně velkých i masivních typů baterií. Středně velké 3D baterie by pak mohly najít využití v automobilovém průmyslu, v elektromobilech a hybridních autech či při ukládání solární energie v domácnostech. Ty opravdu velké baterie by pak směřovaly do oblasti energetiky.

Vlastimil Růžička

vlastimil.ruzicka@mmspektrum.com