Závod o nejlepší baterii na světě vstupuje do další zajímavé fáze: Kdo jako první vytvoří sériově vyráběný vůz s dojezdem 1000 km? Pokud by to bylo jen na čínském bateriovém gigantu CATL, pak by o vítězi bylo již rozhodnuto: jeho akumulátor Qilin slibuje skutečně báječné výkony a do výroby má být uveden ještě před koncem roku 2023. CATL je zdaleka největším výrobcem baterií pro elektromobily a dodává je většině významných značek.
Z čistého výrobce, který pouze realizuje specifikace výrobců automobilů, se společnost již dávno stala sama inovátorem, který vyvíjí nová řešení od chemie článků až po návrh kompletní bateriové sady. Nejradikálnějším přístupem jsou sodíkové akumulátory, které nahrazují nejen lithium, ale také kritické kovy kobalt, mangan a nikl, a slibují obzvláště příznivé ceny.
CATL se svým nejnovějším vývojem zaměřil na opačný konec produktové řady: Jeho inženýři chtějí dosáhnout extrémního nabíjecího výkonu a dojezdu s Qilinem – což je vývojový název pro novou koncepci baterií cell-to-pack od CATL.
Už žádné bateriové moduly
Menší prostor: v akumulátoru Qilin jsou jednotlivé články (světle šedé) umístěny v dlouhých řadách, přičemž mezi dvěma řadami je vrstva pro regulaci teploty, kterou protéká chladicí kapalina. CATL tak šetří materiál i prostor. | Zdroj: Ernest Ojeh/Unsplash
Cell-to-pack je označení pro konstrukci bateriového bloku bez modulových mezistupňů. Pro srovnání: například ve voze Porsche Taycan je celá sada baterií rozdělena do 33 modulů, z nichž každý obsahuje dvanáct bateriových článků. Každý z těchto modulů obsahuje elektroniku pro sledování teploty a napětí a pro řízení nabíjení. Moduly mají velikost přibližně jako velké olověné baterie pro spalovací automobily, jsou navrženy jako velmi robustní kovová pouzdra, což vše zvyšuje hmotnost a stojí prostor.
U koncepce cell-to-pack tento mezistupeň chybí – články jsou přímo sestaveny do bateriového bloku. Společnost CATL nebyla první, kdo tento princip uplatnil: Například baterie Blade společnosti BYD jsou dlouhé (asi jeden metr) a tenké (asi 2,5 cm) články, jejichž délka určuje šířku bateriového bloku. Struktura baterií Qilin (název pochází z čínské mytologie) se podobá struktuře baterií Blade: CATL uspořádává jednotlivé články baterií tak, že tvoří dlouhou úzkou řadu.
Mezi každou z těchto řad CATL vkládá chladící prvky, které temperují bateriové články ze dvou největších ploch. Pro srovnání: bateriové moduly v Porsche Taycan jsou chlazeny nebo ohřívány pouze zespodu, články stojí v modulech vzpřímeně a kryty modulů v baterii Porsche představují dodatečný přenos tepla, tj. snižují účinnost regulace teploty.
Podle společnosti CATL je využitelná přechodová plocha z buňky do chlazení čtyřikrát větší než u řešení Porsche a umožňuje mnohem rychlejší regulaci teploty a větší chladicí výkon.
Velkolepé hodnoty výkonu
Hlavně být lepší než Tesla: produktové prezentaci Qilinu CATL zdůrazňuje výhody v hustotě energie a rychlém nabíjení ve srovnání s Teslou. | Zdroj: Ernest Ojeh/Unsplash
K čemu je to dobré, ukazují tři technické údaje, které Číňané pro baterii Qilin uvádějí: Doba „horkého startu“ je pět minut. Tak dlouho by mělo trvat, než baterie dosáhne předem definované cílové teploty. CATL přesně neuvádí, o jaké cílové teploty se jedná – ale dobré srovnání nabízí například Tesla Model S, které může předehřátí baterie pro výkonný jízdní režim Ludicrous trvat až hodinu (na přibližně 50 stupňů Celsia).
Rychlá regulace teploty je v každodenním provozu důležitá pro startování při teplotách pod bodem mrazu a pro přípravu na rychlé nabíjení maximálním výkonem, pro které je třeba u baterií s nikl-mangan-kobaltovým chemickým složením článků vytvořit teplotu cca 30 stupňů.
Druhý údaj nutí člověka zpozornět: CATL slibuje u baterií Qilin dobu nabíjení od 10 do 80 procent pouhých deset minut.
Při takových rychlostech nabíjení (technicky se hovoří o více než 4C – čtyřnásobku kapacity baterie – pro nabíjecí výkon) to nestačí k udržení teploty ve správném rozmezí. CATL tak zřejmě také optimalizoval chemii článků.
To, že CATL s Qilinem necílí na levné vozy, ukazuje třetí číslo: vozy s bateriemi Qilin mají mít dojezd 1000 km. Bez konkrétních hodnot spotřeby jde o vágní údaj, ale CATL je alespoň konkrétní, pokud jde o hustotu energie: 255 watthodin na kilogram baterie sice zní nudně (této hodnoty dosahují i články Porsche Taycan), ale v případě Qilinu se tento údaj netýká článků (ty by měly mít hodnotu vysoko nad 300 Wh/kg), ale celého bateriového bloku.
Co to znamená pro elektromobil?
Jednoduše extrapolujme: Nejprodávanější elektromobil roku 2022, Tesla Model 3 s baterií o kapacitě 60 kWh, zvládne standardní dojezd kolem 500 km. Pro dojezd 1000 km by tak byla potřeba baterie o kapacitě nejméně 120 kWh. Rychlost nabíjení 4C by pak znamenala tučný nabíjecí výkon 480 kW (pro který zatím neexistuje nabíjecí infrastruktura). Kompletní baterie by vážila pouze 470 kg. Pro srovnání, 100kWh baterie Tesly Model S váží přes 600 kg.
CATL při prezentaci baterie Qilin poměřuje síly s kulatými články Tesla 4680, jejichž uvedení bylo oznámeno na Tesla Battery Day 2020 a nyní se protahuje. Údaje společnosti CATL hovoří jasně: Teslu poráží ve všech kritériích. Je ale třeba přiznat, že srovnání není zcela férové: články 4680 Tesla mají především snížit výrobní náklady; vyšší hustota energie je v jistém smyslu vedlejším produktem. I bez konkrétních informací od CATL lze říci, že Qilin rozhodně nebude levný.
Automobil s dojezdem 1000 km se objeví letos
| Zdroj: Zhejiang Geely Holding Group, zgh.com
Čínská skupina Geely Group podepsala s CATL smlouvu o dodávkách pro svůj nový luxusní vůz značky Zeekr. U vrcholné verze vozu výrobce slibuje dojezd přes 1000 km podle čínských měřících norem. Zasvěcenci předpokládají, že Zeekr 001 dostane dokonce baterii Qilin s kapacitou 140 kWh.
To by byla v současnosti zdaleka největší baterie pro osobní automobily na světě. Mercedes EQS, nejvytrvalejší vůz evropské výroby se standardním dojezdem 780 km, spoléhá na baterii s kapacitou 108 kWh. EQS však tuto baterii vměstnal do karoserie, která je o 29 cm delší než karoserie Zeekru 001.
Sodík místo lithia
Lithium-iontová baterie je od svého uvedení na trh v roce 1994 etalonem pro ukládání elektrické energie. Lithium je třetím prvkem (po vodíku a heliu) v periodické tabulce prvků. To znamená, že lithium je mimořádně lehký prvek – ideální pro použití jako nosič náboje v dobíjecích akumulátorech: ionty lithia, které se pohybují v dobíjecích bateriích, mají atomovou hmotnost sedm, jakákoli alternativa lithia je mnohem těžší.
Například sodík je alkalický kov stejně jako lithium, jeho atomová hmotnost je ale 23. Pokud chcete sodíkové ionty použít jako nosiče náboje v bateriích, pak je náboj elektronu uložen s touto atomovou hmotností. Atomová hmotnost se v praxi převádí přímo na kilogramy: náboj ze sedmi kilogramů iontů lithia vyžaduje 23 kilogramů iontů sodíku. Ionty sodíku jsou také mnohem větší než ionty lithia a nelze je ukládat do dosud běžných grafitových anod.
V porovnání s celkovou hmotností baterie je tato hmotnostní nevýhoda relativní, ale prvek má obrovskou výhodu: Je snadné, levné a ekologicky šetrné jej získat elektrolýzou z kuchyňské soli. Proto probíhá intenzivní výzkum průmyslového využití sodíkových baterií.
Drahé materiály jsou mimo hru
Opět jsou to výzkumníci CATL, kteří mohou oznámit průlom: S anodou vyrobenou z takzvané pruské běloby (jedná se o sodíkem dopovanou variantu pruské modři, což je zase sloučenina železa, dusíku a uhlíku) čínští výzkumníci podle vlastních informací vyřešili problém velikosti sodíkových iontů – to je klíč k účinnému sodíkovému článku.
Pokud lze věřit informacím uvedeným v prezentaci sodíkové technologie společnosti CATL, dosáhli Číňané i řady dalších průlomových úspěchů: energetická hustota první generace jejich sodíkových baterií je údajně 160 watthodin na kilogram. Tím by se tyto akumulátorové články téměř vyrovnaly v současnosti nejlevnějším bateriím pro automobily v lithium-železo-fosfátové technologii. U další generace výrobků má CATL dokonce vyhlídky na 200 watthodin na kilogram. Výrobce zatím tají, jak jsou konstruovány katody článků.
Profesor Max Fichtner z Helmholtzova institutu v německém Ulmu je osvědčeným odborníkem na baterie. Sodíkovou technologii klasifikuje jako krok, který by neměl být podceňován, a to jak pro stacionární úložiště (například pro průmyslové závody nebo také pro soukromé fotovoltaické systémy), tak pro mobilní aplikace. Nejnovější vývoj zní téměř příliš dobře, než aby to byla pravda: Sodíkové články nenahrazují pouze drahé lithium, ale také mangan, nikl a kobalt.
Dokonce i měděné fólie používané v lithium-železo-fosfátových bateriích lze v sodíkových bateriích nahradit hliníkovými fóliemi. Vhodné elektrolyty pro sodík nejsou hořlavé, takže baterie jsou velmi odolné proti požáru, i když do nich proniknou kovové části. Pouzdra tak mohou být jednodušší a levnější. Protože sodíkové baterie lze snadno vyrábět ve stávajících výrobních závodech na lithiovou technologii, mají hned od počátku obrovskou cenovou výhodu: Fichtner předpokládá při masové výrobě cenu 30 až 40 dolarů za kilowatthodinu. Lithium-železo-fosfátové baterie stojí v současnosti přibližně třikrát tolik.
Sodíkové baterie CATL by však měly zvládnout ještě více: Údajně si velmi dobře drží kapacitu při nízkých teplotách (konkrétně: 90 procent jmenovité kapacity při -20 °C) a jsou prý schopny vydržet vyšší nabíjecí proudy než lithium-železo-fosfátové články.
Ceny baterií jsou nižší než u benzinových motorů
Pokud srovnáme prezentované údaje například v současnosti vyráběným populárním malým elektrovozem VW e-Up, který používá 37kWh baterii, pak by ceny sodíku znamenaly, že by kompletní balíček baterií mohl stát pod 1500 eur (pod 36 000 Kč). Odborníci se shodují v tom, že pak by spalovací motory a celé pohonné ústrojí budoucích malých vozů s emisní normou Euro 7 a odpovídající komplikovanou technologií bylo dražší. Že by konečně průlom v oblasti e-aut? Uvidíme možná už letos.
