Kremíkové batérie vylepšia a zlacnia elektroautá a priblížia elektrické lietadlá

Lítium-iónové batérie sú síce stále základom elektromobility, aj batériových úložísk, ale nehovoríme tu o jedinej konkrétnej technológii. Naopak, jednotlivé typy Li-ion batérii sa líšia v chémii anódy, katódy, elektrolytu, aj v samotnej konštrukcii. K najprogresívnejším typom patria batérie s pevným elektrolytom (SSB) a batérie s kremíkovou anódou.

„Vývoj smerom ku kremíkovým anódam sa teraz začína,“ povedal George Cintra, riaditeľ výskumu a vývoja batérií v spoločnosti General Motors. „Uvidíte viac kremíka zabudovaného do batérií elektrických vozidiel (EV), pretože poskytnú väčší dojazd a tiež pomôžu zrýchliť nabíjanie,“ povedal Cintra. Nuž, tu treba povedať, že iné spoločnosti sa vývojom Li-ion batérií s kremíkovou anódou namiesto grafitovej zaoberajú už dlhšie a dnes sa už komerčne vyrábajú.

Vďaka energetickej hustote, ktorá výrazne prevyšuje bežné Li-ion batérie s chémiou LFP (lítium-železo-fosfor), alebo NMC (nikel-mangán-kobalt), sa kremíkové batérie lepšie uplatnia aj v mobilnej elektronike a ako jedny z mála majú šance presadiť sa aj v lietajúcich strojoch.   

Kremíkové anódy sú vo vývoji a komercializácii ďalej ako SSB batérie. Výrobcovia batérií sa snažia zvýšiť obsah kremíka, aby zvýšili dojazd a skrátili čas nabíjania, pričom General Motors očakáva, že percento kremíka v batériách EV sa v priebehu rokov zvýši.

Technológie Li-ion batérií

Anóda je v batérii elektródou, kde sa pri nabíjaní ukladajú lítiové ióny. Zvyčajne pozostáva z materiálov na báze grafitu. Materiál a dizajn anódy priamo ovplyvňujú výkon batérie a tým napríklad aj elektromobilu a použitie vyššieho obsahu kremíka to môže zlepšiť. Anódy obsahujúce kremík existujú už niekoľko rokov, ale vývojári čelili rôznym problémom z hľadiska ich životnosti. Teraz sa začínajú postupne presadzovať.

Podľa G. Cintru sa dostanú batérie s kremíkovými anódami do elektromobilov GM do konca desaťročia. Možno to bude „trochu“ neskoro, určite oproti čínskym výrobcom EV, keďže „kremíkové“ batérie Glacier, ktoré vyvinula čínska spoločnosť CATL sa už objavujú aj v smartfónoch. Za povšimnutie stojí, že 6100 mAh batéria Glacier v smartfóne OnePlus Ace 3 Pro dosahuje energetickú hustotu 763 Wh/l. Pre porovnanie Li-ion články NCM (Ni-Co-Mn) tretej generácie od spoločnosti CATL majú objemovú energetickú hustotu o 40% nižšiu (450 Wh/l).

Kremík je sľubnou alternatívou, pretože môže poskytnúť lepšiu hustotu energie a urýchliť nabíjacie cykly. Minulý rok taiwanský výrobca batérií ProLogium na autosalóne v Paríži oznámil, že jeho 100% kremíková kompozitná anóda mu pomohla dosiahnuť gravimetrickú hustotu energie 321 Wh/kg. To je výrazne nad súčasnými priemyselnými štandardmi, ktoré sa pohybujú značne pod 300 Wh/kg pre typy LFP a NMC. Podľa certifikačných testov sa 55 kWh batéria nabila z 5 % na 60 % za 5 minút a na 80 % za 8,5 minúty. Výrobca batérií tvrdil, že jej použitie môže znížiť hmotnosť vozidla o stovky kilogramov.

Pre zaujímavosť, prvé komerčné Li-ion batérie, ktoré v roku 1991 uviedla spoločnosť Sony, mali gravimetrickú hustotu energie len 80 Wh/kg.

Niekoľko amerických startupov v oblasti batérií, vrátane Amprius, Group 14 a Sila Nanotechnologies, sa tiež angažuje vo vývoji kremíkových anód. Mercedes-Benz má v úmysle použiť „kremíkové“ batérie Sila Nanotechnologies vo svojich elektromobiloch triedy G.

„Keď sa do áut dostanú nové materiály, ako sú kremíkové anódy a nové katódy, veľkosti batérií sa zmenšia,“ povedal George Cintra. S narastajúcimi počtami takýchto vozidiel sa zvýši miera prijatia a ceny klesnú. Podľa štúdie Sila Nanotechnologies  s názvom The Future of Energy Storage sa pomocou dvoch nových druhov katód založených na fluoride kovu alebo na síre, v kombinácii s kremíkovou anódou dajú dosiahnuť náklady na batérie vo výške 50 USD/kWh do roku 2030 a 30 USD/kWh do roku 2040. Donedávna bola za „svätý grál“ považovaná cena 100 USD/kWh.