Lithium-iontové baterie spustila věk elektroniky do kapsy, a elektromobilů. Od svého uvedení na trh před třemi desetiletími naprosto radikálně zlevnily. Ale proč?
Když se dnes mluví o bateriích, často se opakuje, že jsou stále příliš drahé. Ovšem na začátku 90. let, kdy se na trhu poprvé objevily dnes dominantní „li-onky“, byly přímo nekřesťanské drahé: zhruba 30krát dražší než dnes. Podle nedávné studie totiž cena lithiových akumulátorů za poslední tři desítky let klesla zhruba o 97 procent. Co za tímto rychlým poklesem cen stálo?
Na to se pokusila odpovědět v nové práci skupina odborníků z MIT. Podle nich byly zdaleka nejsilnějším faktorem úspěšné investice do výzkumu a vývoj, zejména v oblasti chemie a materiálových věd.
Jejich přínos byl větší než úspory z rozsahu – tedy úspory dané tím, že se baterie začaly vyrábět skutečně ve velkém v optimalizovaných závodech (ovšem úspory z rozsahu přispěly ke snížení cen druhým největším dílem). Nová zjištění byla zveřejněna v článku, který vydal odborný časopis Energy and Environmental Science.
Zjištění by mohlo údajně pomoci i při dalším plánovaní firem i států v této oblasti. Profesorka Jessika Tranciková (skutečně se píše s „k“) se nechala slyšet, že i další výhledy jsou poměrně optimistické, alespoň tedy podle analýzy, kterou udělal její tým. V technologii elektrochemických baterií jsou prý stále ještě značné rezervy a tedy prostor pro další pokles cen.
Jak na to
Podobné cenové analýzy bývají obtížné, protože většina relevantních informací se skládá z přísně chráněných obchodních údajů. „Prošli jsme akademické články, průmyslové a vládní zprávy, tiskové zprávy a specifikační listy. Dokonce jsme se podívali na některá právní podání. Museli jsme dát dohromady data z mnoha různých zdrojů, abychom získali představu o tom, co se v oboru vlastně děje,“ příblížil práci týmu Micah Ziegler z MIT v tiskové zprávě.
Říká, že tým nakonec shromáždil „přibližně 15 tisíc kvalitativních a kvantitativních datových bodů v tisícovke záznamů (zpráva, dokumentů. článků atp.). Podle týmu byly nejméně spolehlivé (a také nejhůře dostupné) údaje z prvních let po uvedení tohoto typu baterií na trh. Nejistoty dokáže potlačit porovnání různých zdrojů dat ze stejného období, ale pouze do jisté míry.
Mnoho týmů, mnoho přístupů
Nakonec autoři dospěli k závěru, že více než polovina z celkového poklesu ceny je důsledek úspěšného výzkumu a vývoje. Tam autoři zahrnuli veškerý výzkum a vývoj bez ohledu na zdroj a formu financování: patří tam R&D v soukromém sektoru, tak ve státních či veřejně financovaných institucích. Dritvá část tohoto poklesu nákladů v rámci této kategorie výzkumu a vývoje byla důsledek pokroku v chemickém a materiálovém výzkumu.
To není samozřejmě. Odobrníci se pokoušeli v minulosti přistupovat v k problému z různých úhlů a různých stran. Vylepšovala se konstrukce samotných bateriových článků, výrobní zařízení a postupy, docházelo (a dochází) k neustálé optimalizaci dodavatelských řetězců atd.
Byť za práci na vývoj lithiových baterií byla v roce 2019 oceněna Nobelovým výborem trojice vědců (více o nich v boxu na konci článku), inovace vedoucí k pokles ceny nejsou podle autorů nové studie dílem jednotlivců. Podle nich jde o plod dlouholetého úsilí mnoha lidí a mnoha týmů z různých pracovišť.
Z hlediska strategie podpory výzkumu a vývoje je zajímavé i to, že pokles ceny byl z velké části výsledkem investic realizovaných až po komercializaci technologie lithium-iontových baterií. Tedy ve fázi, kdy se někteří analytici domnívali, že přínos výzkumu bude méně významný. Ve skutečnosti hrál ovšem tento vliv ve snížování ceny hlavní vliv ještě téměř čtvrt století po uvedení baterií na trh.
Nejen pro baterie
Studie využila analytický přístup, který Tranciková a její tým původně vyvinuli pro analýzu podobně prudkého poklesu nákladů na výrobu křemíkových solárních panelů v posledních několika desetiletích. A využili ho také k analýze růstu nákladů na jadernou elektrárny ve Spojených státech. „Naše práce míří k pochopení základním mechanismům technologických změn,“ říká Tranciková.
Jednou z výhod metodiky, kterou Tranciková a její kolegové vyvinuli, je podle ní to, že pomáhá roztřídit relativní význam různých faktorů, když se mění mnoho proměnných najednou – právě to se totiž obvykle při zdokonalování technologií děje. „Nejde o prosté sečtení vlivu těchto proměnných na náklady,“ vysvětluje Tranciková, „protože mnoho z těchto proměnných ovlivňuje mnoho různých složek nákladů. Je to taková složitá síť závislostí.“
Práce by podle autorů mohla být vodítkem při schvalování veřejných výdajů na výzkum a vývoj, ale posloužit by mohla i soukromým investorům. Které faktory z těch, jenž mohou ovlivnit, skutečně mají ovlivňovat? Na co vynaložit dostupné zdroje?
Jak to bylo s vytvořením „lionek“
Když byli 9. října 2019 oznámeni nositelé Nobelovy ceny za chemii, málokdo byl překvapený. Medaili a s ní spojenou prémii dostali John B. Goodenough, Stanley Whittingham (oba USA) a Akira Jošino (Japonsko). V podstatě by se dalo říci, že cena byla očekávána. Proč? Protože všichni tři zcela zásadně přispěli k vývoji materiálů, které najdete v bateriích, jež pohánějí nejen všechny možné druhy elektroniky, ale také elektromobily. Cynicky řečeno se udělení ceny se očekávalo nejen kvůli významu objevu, ale také proto, že John Goodenough je ve velmi požehnaném věku (97 let), a Nobelova cena se neuděluje posmrtně (Dodejme, že John Goodenought stále žije a je dokonce i ještě vědecky aktivní, byť jeho některé nedávné výsledky nejsou příjimány úplně kladně.)
Z laického hlediska jsou současné „lithium-iontové“ baterie v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořena uhlíkem. Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu. Může se zdát nepochopitelné, proč trvalo tak dlouho, než taková baterie vznikla.
Už nejméně století víme, že lithium je díky svým vlastnostem ideální surovinou pro výrobu baterii. Ale v praxi byl tento kov nepoužitelný. Po téměř celé 20. století si tak lidstvo vystačilo s bateriemi, které z velké části vznikly ještě ve „století páry“. Například klasický olověný akumulátor byl poprvé postaven v roce 1859. Situace se začala měnit díky práci laureátů a mnoha dalších vědců zhruba od 70. let.
První krok udělal Stanley Whittingham, který vytvořil funkční baterii s jednou lithiovou elektrodou. Jak to občas ve vědě bývá, k výsledku dospěl dosti velkou náhodou: věnoval se výzkumu vhodných supravodičů (tedy látek, které vedou elektřinu zcela beze ztrát). Experimentoval se sulfidem titaničitým. Zjistil, že to sice není materiál supravodivý, ale mohl by velmi dobře fungovat jako elektroda v baterii. V podstatě si ho lze představit jako plástev s mnoha vrstvami, mezi které se schovávají ionty lithia. Baterii tedy stále „pohání“ lithium, ale může ho obsahovat méně a v méně nebezpečné formě.
Výsledek byl ovšem polovičatý: Whittingham postavil baterii s katodou ze svého nově objeveného zázračného materiálu a anodou z čistého lithia. Vznikla tak dobíjecí baterie s na svou dobu vysokou hustotou energie a vhodným rozsahem pracovních teplot. To se pozdávalo i managementu společnosti Exxon, která během tehdejší ropné krize po jediné čtvrthodinové schůzce další vývoj zafinancovala. Ovšem zároveň byl jeho výrobek dosti nebezpečný.
Požáry v Whittinghamově laboratoři byly údajně tak časté, že mu místní hasiči začali účtovat použití speciálních směsí nutných pro hašení lithia. Výkony baterie se i tak dařilo zlepšovat. V roce 1976 Whittingham veřejně oznámil svůj vynález a začal baterie vyrábět v malých sériích pro hodinářský průmysl. Ale rozšířit řady zákazníků se dařilo jen pomalu. Navíc na začátku 80. let klesla cena ropy, Exxon začal šetřit a financování vývoje ukončil.
Výzkum pak převzal John Goodenough. Jako materiálový vědec měl pocit, že jeho předchůdce plně nevyužil potenciál své baterie. Jeho znalosti mu napovídaly, že kdyby se podařilo nahradit sulfid nějakým vhodným oxidem, mohlo by se výrazně zvýšit napětí baterie. Jeho tým se nakonec setkal s velkým úspěchem. Zjistili, že při využití katody z oxidu lithia a kobaltu (tzv. oxid kobaltolithný LiCoO2) stoupne napětí baterií na dvojnásobek původní hodnoty, zhruba na 4 V. LiCoO2 je od té doby jeden z nejpoužívanějších materiálů v bateriích. A také to není jediný Goodenoughův důležitý objev.
Jeho skupina například jako první přišla s další podobou lithiových akumulátorů, dnes stále rozšířenějších lithium-železo-fosfátových akumulátorů (tedy s katodou z LiFePO4).
Při povídání o práci posledního z oceněných, Akira Jošiny (angl. transkripcí Akira Yoshino), se dostávám už do 80. let. V Japonsku výrobci elektroniky hledali nové typy „pohonu“ pro spotřební elektroniku, kterou vyváželi do celého světa. Jošino pracoval s baterií vylepšenou podle receptu obou spolunositelů letošní ceny za chemii, ale pokoušel se ji učinit ještě praktičtější a bezpečnější.
Chtěl se například zbavit kovového lithia. Katodu vyrobil z Goodenoughem objeveného oxidu lithia a kobaltu a zkoušel k ní anody z různých uhlíkatých materiálů, které by sloužily jako „klec“ na lithiové ionty. Předchozí výzkumy ukázaly, že to by mohla být slibná cesta, jak zcela nahradit elektrody z klasického kovového lithia, které se ukázaly tak nebezpečné například pro Whittinghamovu laboratoř.
Jošino experimentoval s různými materiály, průlomu ovšem dosáhl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %). Jošino tak dokázal z baterie zcela odstranit čisté lithium a učinit ji výrazně méně hořlavou.
Lithiové baterie tak byly po desetiletích teoretických úvah a pokusů připraveny ke každodennímu využití. Uvedení do praxe se dočkaly v roce 1991 a od té doby jejich význam jen a jen roste – a cena klesá.
