Konečně. Panasonic začne vyrábět baterie, které nasliboval Elon Musk

Společnost Panasonic začne v příštím roce vyrábět ve velkém nový typ článků pro elektromobilitu, typ 4680. Umožní uložit do stejného objemu více energie. Díky řadě inovací by však především měly být znatelně levnější.

Panasonic začal vyvíjet nové bateriové články 4680 na žádost společnosti Tesla. Americká „elektromobilka“ uvádí, že její současná vlajková loď, Model S, má dojezd na jedno nabití přibližně 650 km. S novou baterií by se tak dojezd mohl zvýšit přibližně na 750 km.

To není sám o sobě rekord. Například Mercedes-Benz plánuje v letošním roce zahájit sériovou výrobu nového modelu, který na jedno nabití ujede 1 000 kilometrů. Využívat by měl baterii vyrobenou čínskou společností CATL. Celosvětový závod ve vývoji bezpečnějších, levnějších baterií s dlouhou životností prostě nabírá na obrátkách.

Velkou výhodou nového typu 4680 by ovšem měla být cena, o kterou v případě elektromobilů jde dnes především. Vzhledem k vysoké účinnosti bude výroba těchto nových baterií na základě kapacity o 10 až 20 % levnější než u starších verzí.

Nový závod

Společnost Panasonic podle informací serveru Asia Nikkei, který s informací přišel jako první, rozšiřuje svůj závod v prefektuře Wakayama. Instaluje v něm nové zařízení pro hromadnou výrobu nových článků. Celková investice činí zhruba 700 milionů dolarů, tedy nějakých 15 miliard korun.

O roční výrobní kapacitě továrny ve Wakayamě se stále jedná, ale očekává se, že bude činit přibližně 10 gigawattů ročně, což je zhruba pro 100 000 – 150 000 elektromobilů podle typu a kapacity baterie.

Společnost již dnes provozuje několik závodů na výrobu baterií pro elektromobily v Japonsku a USA. Je dlouhodobým partnerem společnosti Tesla, i když původně velmi těsná spolupráce se postupně rozvolnila. Nový závod by představoval zhruba pětinu celkové roční výrobní kapacity Panasonicu.

Vzhledem k tomu, jak ohromný zájem o baterie se v příštích letech očekává, to není mnoho. Dá se tedy očekávat, že pokud se osvědčí, na nový standard budou postupně přecházet další a další výrobní závody společností. Společnost má v plánu rozšířit masovou výrobu v závodech v USA nebo v dalších zemích.

Japonská firma plánuje částečné zahájení provozu v letošním roce, aby zvládla všechny potřebné postupy spolehlivě a efektivně ještě před zahájením masové výroby v příštím roce.

Díky poptávce společnosti Tesla míval Panasonic lví podíl na trhu s bateriemi pro elektromobily. Společnosti CATL a LG Chem však v roce 2019 začaly dodávat baterie do závodu Tesla v Číně, čímž Panasonic ztratil podíl na trhu, který se nyní snaží získat zpět vývojem nové baterie.

Největší světoví výrobci baterií pro elektromobily (údaje za první polovinu roku 2021)

Trocha přehánění, hodně vylepšení

Články v bateriových souborech modelů Tesly dodnes velmi nápadně připomínají tužkové baterie. První generace článků Tesly se tak nazývala 18650, protože měla rozměry 18 na 65 milimetrů (tužkové baterie AA mají 14,9 na 50 mm, tyto první baterie Tesly tedy nebyly o mnoho větší). Pak přišly větší 2170 (21 na 70 mm), které měly tedy zhruba o polovinu větší objem. V září 2020 pak Tesla oznámila přechod na větší články 4680, které už mají zhruba pětkrát vyšší kapacitu než původní články 18650.

K tomuto údaji jedna poznámka, která dobře vystihuje Muskův postoj k reklamě a marketingu: během prezentace nového typu článku v září 2020, během tzv. Battery Day, se opakovaně mluvilo o několikanásobně vyšší kapacitě. Nikdo ovšem zároveň jedním dechem nedodal, že zvýšení kapacity je dáno téměř úplně prostě zvýšením objemu baterie. Ne že by Tesla vysloveně lhala. Neudělala ale nic pro to, aby nezkušený posluchač nedošel ke špatnému závěru.

Vysloveně nepřesné pak bylo tvrzení, že nové baterie v automobilech Tesla jsou unikátní svou „strukturální konstrukcí“. To jednoduše znamená, že články jsou v baterii (paralelně) zapojeny co nejefektivněji, tedy aby se uspořilo místo a hmotnost. Ale stejný princip už používají i další výrobci, například v mikroelektromobilu Wuling Mini.

Skutečných novinek je ale i přes tyto výhrady dost. Jedna spočívá ve způsobu odvodu a přívodu elektřiny ze samotného aktivního materiálu na póly baterie. To mají na starost v článcích malé vodivé prvky – anglicky nazývané „tabs“ – obvykle vyrobené z niklu, hliníku, případně mědi. „Tabs“ jsou jedním ze slabších míst baterie. Když se baterie rychle nabíjí či vybíjí, právě v těchto kovových prvcích vzniká velké množství tepla – což je pro lithiovou baterii samozřejmě velký problém.

Tesla si v roce 2020 podala patent na baterie, které se bez těchto vodivých prvků mají zcela obejít (baterie s „tabless“ elektrodami). Změna by měla údajně výrazně zjednodušit výrobu. Umísťování a připevňování „tabů“ totiž podle Muska i Baglina výrazným způsobem zdržovalo výrobu článků. Proces není okamžitý, a tak se kvůli němu musí článek na své cestě linkou zastavit. Bez těchto prvků se údajně může linka pohybovat v podstatě kontinuálně. Můžeme si ji údajně představit jako například plnicí linku na nápoje.

Odstranění kovových prvků by také mělo údajně velmi výrazně snížit množství odpadního tepla, které vzniká při rychlém nabíjení baterií. Což v důsledku může vést k nabíjení většími proudy, a tedy zkrácení zastávek na dobíjecích stanicích.

Samozřejmě to je spíše hypotetická úspora. Rychlost dobíjení do značné míry záleží na parametrech samotných nabíječek, které provozovatel z pochopitelných důvodů nemůže měnit každý rok. Doma také tak velkými proudy těžko bude někdo dobíjet. „Tabless“ baterie by však mohly mít například zvýšenou životnost. Vyšší teploty bateriím rozhodně neprospívají.

Bez kanálů

Novým typem baterie by měla Tesla do jisté míry i dohnat konkurenci. Ještě v Modelu 3 totiž používá systém chlazení, který nepatří mezi nejefektivnější. Mezi řadami článků má kanálky na odvod odpadního tepla, které vlastně nejsou zapotřebí. Většina tepla totiž vzniká na obou koncích článků. Dělat mezi nimi místo na kanály je podle jiných výrobců a znalců oboru v podstatě zbytečné.

Samozřejmě, znalcům nemusíte věřit. V případě Tesly se už mnohokrát mýlili. V tomto případě ale v podstatě uznává svou chybu i firma sama. Nové „balení“ baterie kanálky mezi články mít nebude, místo toho budou články umístěny na kapalinou chlazené desce. Velmi podobně jako to je u elektromobilů GM, Fordu, Volkswagenu, Porsche a tak dále a tak podobně.

Místo by se mělo uspořit i jinak. Konstruktér a konzultant Sandy Munro, který proslul svým YouTube kanálem, kde rozebírá elektromobily, nedávno odhadl, že Tesla dokáže zvýšit výkon bateriových celků o více než 50 procent při zachování stejných rozměrů. Do rozměrů baterie pro Teslu 3, která má kapacitu 72 kWh, by se podle něj mohla vejít nová baterie s kapacitou cca 130 kWh.

Kromě zmíněné úspory vzniklé změnou chladicího systému by k tomu měly významně přispět i další změny v konstrukci. Více dílů by mělo být slepováno a také svařované části konstrukce se dají udělat efektivněji. Celkem by tak nové bateriové celky podle něj mohly obsahovat o 30 až 40 procent méně oceli.

Trochu to osolíme…

Nový typ 4680 bude mít pozměněné například i elektrody. Jedna změna bude na tradičně uhlíkové anodě. Uhlík se pro anody používá, protože dobře vede proud, má ovšem poměrně malou kapacitu. Na uložení jednoho lithiového iontu je zapotřebí „klece“ tvořené šesti atomy uhlíku. Naproti tomu například jediný atom křemíku dokáže navázat čtyři atomy lithia.

Tato výhoda je dlouho známá a s křemíkem se hojně experimentovalo, bohužel má i nepříjemné vlastnosti. Významnou je, že po pohlcení elektronů „bobtná“ – velmi výrazně se změní jeho objem, a to několikanásobně (řekněme pro jednoduchost zhruba na trojnásobek původního). Pokud postavíte baterie z křemíku s pomocí běžných postupů, stačí jen několik nabití, anoda se roztrhá na malé kousky a celý článek je k ničemu.

Přesto se v anodách křemík už používá, a nejen u Tesly. Je to totiž jeden z nejnadějnějších způsobů, jak kapacitu baterií zvýšit. Ovšem v současných anodách je křemíku málo, řádově jednotky procent z celkového objemu. Příměs je tak malá, že nárůst objemu není velký problém a zvýšení kapacity o několik procent za něj stojí.

Na Battery Day zaznělo, že množství křemíku by se mělo zvýšit několikanásobně, aby se dojezd při zachování objemu baterie zvýšil cca o 20 procent. Problém s „bobtnáním“ chce Tesla vyřešit tak, že baterie nebude znovu čistě křemíková – bude obsahovat i elastické materiály, které se mohou zmenšit tak, aby se kompenzovalo zvětšování křemíku v anodě. Jak vidno, v tomto ohledu je ještě co zlepšovat.

Změny by se měly dotknout i druhé elektrody, tedy katody (poznámka bokem: v dobíjecích bateriích se samozřejmě role elektrod mění podle toho, zda se nabíjí, či vybíjí, ale pro zjednodušení se jako anoda obvykle označuje elektroda, na které během vybíjení dochází k oxidaci). V první řadě Tesla potvrdila, že se pokusí zbavit kobaltu v bateriích.

Jak již asi víte, kobalt se používá v katodě baterií, obvykle v kombinaci s niklem a manganem v podobě materiálu známého jako NMC. Kobalt je z těchto materiálu nejdražší, navíc je dnes jeho produkce vázána na problematickou těžbu v Kongu.

I proto se většina výrobců snaží kobaltu zcela zbavit. V minulosti byly v NMC ve stejném poměru 1 : 1 : 1 nikl, mangan a kobalt. V nových bateriích ovšem tvoří velkou část materiálu pouze nikl (někdy téměř 90 procent) a kobaltu je cca 5 procent. Tesla tedy znovu není jediná, je v podstatě ilustrací obecného trendu, který by měl zjednodušit a zlevnit výrobu baterií obecně.

Nejlepší ve výrobě

Všechna dílčí zlepšení mají jeden hlavní cíl: výrazně zjednodušit, zrychlit, a tedy i zlevnit výrobu baterií ve velkém. Tesla, která sází na to, že investory naláká na velké cíle, tak především dala najevo, že hodlá ve výrobě baterií přejít na kvantitativně novou úroveň.

Firma si dala za cíl vyrobit ročně baterie s celkovou kapacitou od 10 do 20 terawatthodin. Celková roční výrobní kapacita je dnes o dva řády nižší, pohybuje se zřejmě někde v pásmu nad 300 GWh ročně. Rekordní Gigafactory v Nevadě, která ještě není dostavěna, je koncipována na výrobu kolem 150 GWh za rok.

Jak zvýšit výrobu řádově stokrát? Tesla má dva recepty. Stejně jako řada jiných firem samozřejmě chystá stavbu dalších továren na baterie. Ale zároveň tvrdí, že „zlepšováky“ představené v rámci Battery Day mohou velmi výrazně zvýšit výrobu v již stojících továrnách. Kontinuální výroba jednodušších baterií, které pojmou více energie, může údajně zvýšit produkci z jedné linky zhruba sedminásobně.

Toto číslo je nutné brát s rezervou, protože máme k dispozici pouze nablýskanou prezentaci a „tvrdá data“ jsou předmětem obchodního tajemství. Podle odhadů agentury Bloomberg se ceny baterií (kompletních baterií, ne pouze článků) v roce 2020 pohybovaly v průměru někde kolem 140 dolarů za kilowatthodinu. Na Battery Day se hovořilo o tom, že zavedení představených novinek by mělo cenu snížit zhruba o něco více než 50 procent.

Pokud by tomu tak bylo, cena by se měla dostat poměrně dosti hluboko pod bedlivě sledovanou hranici 100 dolarů za kilowatthodinu. Zhruba na ní by se přitom elektrické vozy mohly v pořizovací ceně začít rovnat vozům se spalovacím motorem. Tedy zhruba na úrovni nového modelu Tesly, jehož existenci Musk potvrdil v již zmíněné prezentaci na Battery Day.