K pokrytí poptávky po bateriích bude zapotřebí široké škály materiálů na výrobu baterií. „Zlatou střední cestou“ mezi levným železem a drahým niklem by se mohl stát mangan, píše server IEEE Spectrum.
Většina automobilek touží vám (a zbytku světa) prodat elektromobil. Zároveň ovšem výrobci v posledních době řeší těžkou otázku: jak si zajistit dodávky materiálů nutných k výrobě elektromobilů. A to ještě ze zdrojů, které nenesou geopolitická rizika či etické stigma (tedy třeba materiálů vytěžených s pomocí dětské práce).
Výroba jednoho elektrického auta vyžaduje podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) šestkrát více kovů než výroba vozu se spalovacím motorem. Auta už nebudou spotřebovávat suroviny za provozu, ale při svém zrodu.
Ale které? Nezbytností bude nepochybně lithium a železo, to je jasné. V dalším sledu stojí však celá řada dalších kovů, o jejichž osudu není rozhodnuto. Jedním z nich je i relativně skromný a nenápadný mangan.
Špatné vzpomínky, světlá budoucnost?
Tento světle šedý, tvrdý, a přitom křehký kov, který je 25. prvkem periodické tabulky (mezi chromem a železem) považují za zajímavý například společnosti Tesla a Volkswagen. Doufají, že i díky němu mohou být elektromobily a jejich baterie dostatečně dostupné i pro běžného zákazníka. A to i přes neutěšenou historii prvního (a jediného) elektromobilu, který byl vybaven baterií s vysokým obsahem manganu: původního Nissanu Leaf.
Autoprůmysl ovšem bude v dohledné době potřebovat všechny baterie, které budou k mání. Vylepšené modely baterií s vysokým obsahem manganu by si možná na trhu mohly najít své místo, snad jako středně drahá varianta mezi lithium-železo-fosfátovou chemií v levnějších vozem a „prémiovými“ bateriemi bohatými na nikl ve špičkových luxusních a sportovních modelech.
Zájem o ně v poslední době pomohl probudit i Elon Musk při slavnostním otevření továrny Tesla Gigafactory v Berlíně. Když dostal otázku na to, jak vidí využití grafen v bateriích, nakonec od této vzácné formy uhlíku úplně odběhl a řekl: „Myslím, že zajímavý potenciál má mangan.“
Znovu tak upozornil na to, co už lze sledovat několik let: odklon výrobců od kobaltu a nyní i od niklu: „V konečném důsledku potřebujeme desítky, možná stovky milionů tun. Takže materiály používané k výrobě těchto baterií musí být běžné, jinak je nemůžete škálovat,“ řekl Musk.
Musk Iron Manem
Společnost Tesla potvrdila, že téměř polovina všech jejích vozidel vyrobených v minulém čtvrtletí již používá baterie bez niklu a kobaltu. Jak uvádí výroční zpráva Tesly, v Muskem vedené firmě se z LFP baterií stává běžná záležitost: „V současné době se baterie LFP používají ve většině našich standardních produktů pro vozidla a také v komerčních aplikacích pro skladování energie. Díky našim energeticky účinným motorům může Model 3 s baterií LFP stále dosahovat dojezdu 267 mil podle EPA.”
Podle přehledu trhu s elektromobily, který zveřejnila agentura Reuters, není Tesla ve své podpoře baterií LFP sama. Více než tucet společností údajně zvažuje, že v příštích třech letech postaví ve Spojených státech a v Evropě závody na výrobu bateriových článků LFP. A od té doby se změna bude pravděpodobně pouze zrychlovat.
Německá důvěra
V březnu 2021 na „Power Day“ společnosti Volkswagen generální ředitel koncernu Herbert Diess oznámil, že jeho společnost zachvátilo „bateriové šílenství“: Volkswagen má do roku 2030 postavit v Evropě půl tuctu gigatováren s celkovou kapacitou 240 gigawatthodin.
Volkswagen již staví továrny na elektromobily v americkém Tennessee a v Číně. Navzdory tomu, že jeho elektromobily se v Evropě prodávají více než Tesly, německá firma pod silným konkurenčním tlakem americké „elektromobilky“ především na čínském trhu. Globální gigant je proto odhodlán snížit náklady na baterie o polovinu u základních modelů a o 30 % u vozů střední cenové kategorie.
Aby toho dosáhl, představil Volkswagen univerzální „unifikovaný článek“, který může v rámci univerzální „kostry“ využívat různé druhy bateriové chemie. Diess uvedl, že přibližně 80 % nových baterií Volkswagen se obejde bez drahého niklu a kobaltu ve prospěch levnějších a hojnějších katodových materiálů – potenciálně včetně manganu. Jde baterie podobné těm, které jak Volkswagenu, tak Tesle dodává čínská společnost Contemporary Amperex Technology (CATL).
Mimochodem, agresivní snaha Volkswagen přesunout výrobu baterií na vlastní linky dosti zaskočila jeho současné dodavatele, tedy jihokorejské společnosti LG Energy Solutions a SK Innovation. Volkswagen se snažil situaci urovnat prohlášením, že dodrží stávající smlouvy na baterie.
Jak se vyhnout úzkému hrdlu
Proč tolik materiálů, typů a chemie? A proč mangan? Vše závisí na tom, co Musk a další odborníci uvádějí jako hrozící, limitující faktor urychlení revoluce v oblasti elektromobilů: pomalé tempo výroby baterií i těžby a produkce surovin pro jejich výrobu.
Musk v Berlíně uvedl, že svět bude potřebovat ročně vyrábět 300 terawatthodin baterií, aby mohl plně přejít od automobilů na fosilní paliva. To je stonásobek toho, co Tesla předpokládá, že dokáže vyrobit do roku 2030, a to i při vlastním masivním rozšíření kapacit.
Baterie s vysokým obsahem niklu (s jinak bezkonkurenčním hustotu energie a výkonem) v takovém objemu nebude možné v dohledné době vyrábět. Bude Jsou zapotřebí i jiných materiálů, i když to s sebou přinese určité výkonností kompromisy. „Čím více materiálů se bude dávat do baterií, tím lépe,“ řekl pro IEEE Spectrum Venkat Srinivisan, ředitel bateriového výzkumného centra ACCESS (Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science).
Výhody šedi
Mangan je hojně rozšířený, bezpečný a stabilní. Baterie s manganovými katodami se však výkony nepřiblíží bateriím bohatých na nikl. Kupci prvních vozů Nissan Leaf by o tom mohli vyprávět: Nissan, který neměl v roce 2011 žádné dodavatele ochotné nebo schopné dodávat baterie ve velkých objemech, byl nucen vyrobit vlastní baterie z oxidu manganičitého se specifickou strukturou (tzv. spinelovou).
Tyto energeticky „chudé“ baterie měly kapacitu pouhých 24 kilowatthodin, což vozu poskytovalo dojezd pouze necelých 120 kilometrů. Navíc se jejich vlastnosti rychle zhoršovaly, zejména teplejších oblastech světa, a zákazníci si začali stěžovat. (Nepomohlo ani to, že se Nissan auto nevybavil systémem, který by dokázal hlídat teplotu baterie.) Upravená baterie „Lizard“ z roku 2014 měla vyšší kapacitu 40 kWh, ale stále problémy s životností.
Zájemci o elektromobily ovšem vyžadovali výkon a dojezd, což zase znamenalo špičkové baterie s co nejvyšší energetickou hustotou. To znamenalo používat kobalt, který je obvykle vedlejším produktem těžby niklu a mědi a patří mezi nejdražší v bateriích používané prvky. Produkci kobaltu také dominuje Demokratická republika Kongo, která je spojována s dětskou prací v dolech a dalším porušováním lidských práv.
Jde to jinudy?
Automobilky hledaly, jak se kobaltu zbavit. Například General Motors a LG Energy Solutions dohromady vyvinuli „pytlíkové“ články Ultium s nikl-kobalt-mangan-hliníkovou chemií, která umožňuje snížit obsah kobaltu o více než 70 %.
Nový elektrifikovaný Hummer má díky nim celkovou kapacitu baterií 200 kilowatthodin, tedy dvakrát větší než největší baterie Tesly. Díky třem elektromotorům má mít maximální výkon tisíc koní (cca 745 kW) a dojezd přes 500 kilometrů. Tato baterie, která je zdaleka největší, jaká kdy byla do elektromobilu vložena, také přispívá k obrovské pohotovostní hmotnosti vozu: celkem 4 082 kilogramů. Na baterii z toho připadá 1 315 kg. (Vzhledem k tomu, že GM připravuje sériovou výrobu v Detroitu, může Hummer sám o sobě způsobit nedostatek baterií.)
Také se stále nejedná o auto zrovna lidové: cena začíná na zhruba 110 tisíc dolarech, tedy něco přes 2,5 milionu korun. A to je samozřejmě v USA, v Evropě bude ještě znatelně vyšší. Za to by zákazník měl dostat vůz s vysokou průchodností terénem, který dokáže zrychlit z 0 na 100 zhruba za 3 sekundy.
Stejně jako u nejlepších článků Tesly se v článcích GM používá pouze malé množství manganu ke stabilizaci struktury, nikoli jako hlavní materiál katody. To je zcela běžné: podle dat společnosti Umicore, která se zabývá těžbou a recyklací materiálů, se více než 90 % manganu těží pro výrobu železa a nerezové oceli a méně než 1 % jde do baterií.
Dalším oblíbeným katodovým minerálem byl nikl, jehož nabídka je rozmanitější než u kobaltu – ale na o tolik, jak se v posledních měsících ukázalo. Světové zásoby niklu se snižovaly již před únorovou invazí Ruska na Ukrajinu. Investoři a obchodníci začali být nervózní z možných zákazů nebo přerušení dodávek kovů z Ruska, které produkuje přibližně 17 % světové produkce vysoce čistého niklu. V březnu se ceny niklu prakticky přes noc zdvojnásobily a poprvé nakrátko překročily 100 tisíc amerických dolarů za tunu, což přimělo Londýnskou burzu kovů, aby během divokého nárůstu pozastavila obchodování.
Ke švédskému stolu!
Ze všech těchto důvodů (cenových, geopolitických, etických, bezpečnostních, strategických) – a také proto, aby se pojistil proti případné selhání toho či onoho přístupu – se autoprůmysl pouští do diverzifikace bateriových technologií. Místo jednoho chodu, který by mohl stačit a chutnat všem, se tedy dnes připravuje bufet s bohatým výběrem. Alespoň do doby, než nějaký budoucí nositel Nobelovy ceny přijde s něčím, co současné lithium-iontové články zcela nahradí.
Automobilky začínají opouštět i nikl – přinejmenším tedy, které se zaměřují na Čínu nebo na levnější elektromobily s menším dojezdem. Tesla, Volkswagen, Ford, čínské společnosti a další rychle přecházejí u běžných vozů na lithium-železo-fosfátové (LFP) baterie vynalezené v 90. letech a donedávna považované za de facto „zastaralou technologii“. Tyto baterie nevyžadují nikl ani kobalt, pouze větší množství železa a fosfátu. Musk potvrdil „dlouhodobý přechod“ na LFP pro základní vozy (včetně Modelu 3) nebo baterie určené pro skladování elektřiny v elektrické síti.
Baterie s vysokým obsahem manganu, o kterých Musk a Volkswagen mluví dnes s takovým zápalem, by také používaly méně niklu – a vůbec žádný kobalt. Zdá se, že by mohly být cenově dostupné: podle analytiků společnosti Roskill, kteří byli citováni na Power Day Volkswagnu, by tato technologia mohla vést ke snížení nákladů na katodu o 47 % na kilowatthodinu oproti konstrukcím bohatým na nikl. Volkswagen proto uvažuje o manganu jako o potenciálním řešení pro běžné modely, o LFP pro vozidla nižší třídy nebo trhy a o vysoce výkonných baleních na zakázku pro značky jako Porsche, Audi, Bentley nebo Lamborghini.
„Chápu logiku, že pokud se podaří dosáhnout rozumné hustoty energie, stane se mangan takovým mezistupněm,“ řekl Srinivisan pro IEEE Spectrum. Výrobci automobilů by mohli kompenzovat nižší náklady na manganové katody mírně zvětšenými bateriemi, aby se dojezd přiblížil vozům vyšší třídy.
Ještě v roce 2020 na Dni baterií společnosti Tesla vyjádřil Musk optimismus ohledně využití tohoto prvku: „Je relativně jednoduché udělat katodu, která je ze dvou třetin tvořena niklem a z jedné třetiny manganem, což nám umožní se stejným množstvím niklu vyrobit články s celkově o 50 % větší kapacitou.“
Zavádění vylepšených článků ale není přímočaré a jednoduché, jak ví nepochybně i Elon Musk. Který se například stále snaží uvést na trh svůj (dnes již notně zpožděný) velký válcový článek 4680. Baterie s vysokým obsahem manganu také stále ještě neprokázaly svou životaschopnost v běžném provozu. Ovšem gigantické rozměry překážek na cestě k elektromobilitě výrobcům automobilů nedávají jinou možnost než zkusit najít materiály, které „za hubičku“ umožní vyrábět šampiony mezi bateriemi.
LFP čili Lithium železo fosfát
Tyto články s vysokým obsahem železa byly jednu dobu považovány alespoň co se elektromobility týče tak trochu za “slepou uličku” kvůli nízké energetické hustotě. Na začátku roku 2021 stále tvořily méně než 10 % všech dodaných li-ion článků. Ovšem podle analytiků se množství do výrobků článků v druhé polovině roku 2020 meziročně zvýšilo několikanásobně, a další růst bude jen následovat. Mají totiž zásadní výhodu v ceně.
Tento typ článků nabízí kvůli použitým materiálům tedy nižší měrnou hustotu energie (100-160 Wh/kg) než články využívající dražší materiály. Na druhu stranu, mají vysoký měrný výkon. Nominální napětí je nižší a činí 3,2 V a nabíjí se na napětí 3,6 V. Mohou tedy poměrně přímočaře posloužit jako náhrada za klasické olověné akumulátory. Dnes je populární volbou pro uložiště energie, UPS a trakční použití obecně.
Jde o velmi stabilní baterii. Rozkládá se při teplotách kolem 270 stupňů Celsia. Při přebíjení, nadměrném vybíjení, zkratu, propíchnutí cizím objektem a podobně nezačíná rychle, jako tomu bývá u řady jiných dnes používaných typů. Ještě větší výhodou než zvýšená bezpečnost je ovšem malé zastoupení drahých materiálů a tedy nízká cena. To je hlavní důvod, proč její zastoupení na trhu neustále roste. Životnost se počítá na tisíce (2000-5000) cyklů a stárnutí probíhá za běžných teplot pomalu.
