Když Tomáš Kazda popisuje svou práci, zní to vysloveně nebezpečně: „Každou chvíli zjistíte, že obrazně řečeno padá z ostří na jednu stranu, a když se to snažíte kompenzovat, začnete padat na stranu druhou.“
Rizika a nebezpečí jsou v jeho případě ovšem spíše intelektuální. Český vědec působící na VUT v Brně se věnuje bateriím, konkrétně výzkumu elektrochemických problémů spojených s akumulací energie. Bezprostřední nebezpečí mu tedy nehrozí, což neznamená, že by šlo o problémy jednoduché. Jde skutečně o delikátní balancování mezi různými požadavky a omezeními.
Kazdovi a jeho kolegům se ovšem podařilo mezi snad úspěšně prokličovat k novému řešení. Před dvěma lety získali evropský patent na řešení problémů velmi slibné technologie pro vývoj další generace bateriových článků. Měly by být na kombinaci jednoho již osvědčeného a jednoho v bateriích nezvyklého materiálu – lithia a síry.
Proč, jaké by měly mít výhody a s kterými zádrhely ve vývoji by práce českých vědců měla pomoci, to už nechejme vysvětlit Tomáš Kazdu samotného:
Proč jste se věnovali vývoji lithium-sirných baterií?
Mají obrovský potenciál. Velmi jednoduše řečeno by teoreticky mohlo jít o výkonné a levné baterie s velkým potenciálem z pohledu recyklace.
Jak přesně je to s jejich kapacitou?
Kladnou elektrodu tvoří prakticky čistá síra. 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. Takže místo nich využíváme jen jeden prvek, a to síru, která je schopna na sebe navázat dva atomy lithia. To je dvojnásobek, než dokáží nyní používané materiály. Energetické hustota takové baterie by mohla několikanásobně převyšovat stávající lithno-iontovou technologii. (Tomáš Kazda nerad používá výraz lithium-iontový, protože to může evokovat mylný dojem, že v dnešních elektrodách se používá čisté lihium, pozn.red.)
I když vezmeme v potaz, že sírová elektroda pracuje s nižším napětím, tak by mohla mít kapacitu kolem 3 000 watthodin na kilogram (Wh/kg). Dnes používané katodové materiály mají stejný parametr někdo kolem 500-600 Wh/kg. Ty pokročilejší mají teoretické limity kolem tisíce. I kdyby se tedy nešlo na sto procent teoretické maxima materiálu, ale třeba jen 50 procent, tak 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 tvořený 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 výhoda i při případné recyklaci baterií.
A proč to v praxi nejde?
Ono to do jisté míry to jde.. Jednou překážkou je fakt, že síra během nabíjení či vybíjení mění svoje skupenství. Začíná a končí jako pevná látka, ale mezitím prochází tekutou fází, změní se tedy na kapalinu. Baterie tak může snadno ztrácet aktivní materiál a její výkony a kapacita pak bude rychle klesat což zkracuje její životnost. Články se velmi rychle ničí, rychle degradují. Což je do značné míry je to dáno i tím, že síra při nabíjení poměrně výrazně mění svůj objem, zhruba o 80 procent. 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 procent, takže tam jsou změny ještě výraznější. Ale ani v případě síry nejde o triviální problém – změna objemu o 80 procent je výrazná. Konstrukce elektrody to musí brát v potaz a zatím se nenašlo dobré řešení. Na trhu je dnes jedna 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, někdo kolem stovky cyklů. (Pro srovnání, současné lithno-iontové akumulátory některých výrobců mají mít zaručenou životnost v řádech jednotek až desítek tisíc cyklů, samozřejmě za poklesu kapacity zhruba řečeno tak o pětinu, někdy méně, někdy více, pozn.red.)
Vy máte od roku 2018 podaný evropský patent, který má problém řešit a životnost lithium-sírových 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 přitom jí dávají takovou 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.
Jak to vypadá? Jaké materiály se na to například 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, ne obyčejné saze. Jde o materiály, které se už dnes používají k výrobě baterií.
Jakých výsledků jste dosáhli?
Nejlepší článek, který jsme vytvořili – je to maličký článek o velkosti mince – vydržel zhruba 350 cyklů a přitom přišel zhruba o osm procent své původní kapacity. To byl náš nejlepší výsledek z těch mnoha pokusů, které jsme dělali.
To se blíží vlastnostem některých článku na trhu. A pokud se článek nezničil, zdálo by se, že vydrží i více. Proč jste neměřili dále?
S měřením jsme přestali, abychom nezabírali naše omezené testovací kapacity. Podobné zkoušky jsou časově dost náročné a já musím myslet i na kolegy. A musím znovu upozornit, že šlo skutečně o malinký článek s plochou pár centimetrů čtverečních. Ten výsledek 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 objevit projevit nerovnoměrnost v rozložení materiálu, anomálie, kvůli které se pak celá baterie zničí. Spousta věcí, které se dají udělat v laboratoři, ve výrobě jsou 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 Parubicích 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 procent 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 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 teplota, tedy v mrazáku. Vzniklá elektroda pak měla dobré výsledky, ale samozřejmě ve výrobě je něco takového nemožné.
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 například sodík. Takový systém má nižší teoretický výkon než lithium-sirné akumulátory, ale vyšší než lithium-iontové akumulátory. A 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 jak fázi je realizace patentu?
Evropský patent jsme podali ve spolupráci s norskou firmou Graphene Batteries. Ta se stala součástí projektu, v rámci kterého by se na jihu Norska, v příštím roce měla zahájit výstavbu 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 na základě našeho patentu. Nebudou se tam tedy vyrábět baterie přímo pro zákazníky, jde pořád o výzkum a vývoj. Pokud se zkušební linka a na ní vyrobené lithium-sirné baterií osvědčí, bude v rámci továrny následně zahájena i jejich komerční sériová výroba, která v současnosti nikde na světě neprobíhá. Na vývoji je tedy ještě spousta práce, kterou mi ani dělat nemůžeme. V České republice není jediná linka, kde by se daly vyrábět podobné experimentální baterie. Například články s našimi elektrodami si norská strana nechala vyrábět a kompletovat v německém výzkumném ústavu. U nás nic takového není možné.
Jak je nastavená případná dělba zisku během 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 zavádí po zhruba 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-sirové baterie musíte mít jinou výrobní linku než na lithno-iontové, ta se musí postavit, vyzkoušet a vyladit.
Doc. Ing. Tomáš Kazda, Ph.D., (*1986) 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-sirové baterie, která by mohla nabízet v mnoha ohledech výrazně lepší parametry než současná lithno-iontová technologie.
