Hliníkové baterie a jejich význam pro autobaterie a energetiku

Více než devět let vyvíjela americká společnost Gates Technology novou generaci autobaterií, která dostala jméno Optima. Zcela unikátní konstrukční řešení, které je chráněné patnácti různými patenty, je založené na technologii spirálovitých článků. U konvenční autobaterie tvoří obal baterie de facto nádrž na elektrolyt, do kterého jsou ponořeny deskovité elektrody. Všechny tyto nevýhody odstraňuje unikátní řešení společnosti Gates Technology. Její baterie Optima představuje kompletně uzavřený systém bez tekutého elektrolytu.

1. Tripřesná konstrukce Optima: elektrolyt je vázaný v tenké vrstvě mikroporézní skelné tkaniny-separátoru, vložené mezi spirálovitě svinuté olověné elektrody. Ty vytvářejí až dvojnásobnou aktivní plochu galvanického článku proti konvenčním autobateriím, takže baterie Optima má podstatně větší výkon i kapacitu.
2. Pracovní poloha a odolnost: díky elektrolytu vázanému v porézním separátoru může baterie Optima pracovat v libovolné poloze. I při poškození obalu autobaterie Optima dál funguje. Při extrémních testech dokonce po zásahu střely z ruční zbraně a částečné destrukci bez problému spouštěla motor automobilu.
3. Startovací výkon: Při standardních vnějších rozměrech poskytuje baterie Optima tolik startovací energie, kolik dávají jen podstatně větší konvenční autobaterie. Srovnávací ukazatel CCA neklesá pod 850 ampérů, což je zcela bezkonkurenční hodnota.
4. Životnost a regenerace kapacity: díky velké aktivní ploše galvanických článků má baterie i vysokou schopnost obnovy kapacity při opakovaných startech. Podle standardní americké normy vydrží běžné autobaterie asi čtyři tisíce studených startů. Ceny Optima pro osobní automobily se pohybují kolem pěti tisíc korun.

Hybridní baterie (již starší typ, ale stále v prodeji) má vždy zátky; je třeba kontrolovat hladinu elektrolytu, případně dolít. Rozdíly mezi mřížkami a technologiemi desek ovlivňují životnost a výkon. Plus deska baterie bývá litá gravitační metodou, tažená (stretch metal), power frame; u tažené mřížky hrozí zkroucení a vysypání aktivní hmoty při slabé konstrukci.

Technologie AGM (absorbed glass mat) je technologie, při níž není elektrolyt v tekuté formě mezi elektrodami, ale nasáknutý v netkané tkanině ze skelných vláken. Baterie na technologii AGM jsou vhodné pro náročné použití, do moderních aut a vozidel vybavených Start&Stop systémem. Gelové baterie používají elektrolyt v křemičitém gelu, což minimalizuje riziko úniku kyseliny.

Hliníkové baterie a jejich výhody pro budoucnost

V posledních letech se velká pozornost upírá k hliníko-iontovým bateriím jako potenciální alternativě k Li-Ion soustavám. Hliník má tři valenční elektrony, což otevírá možnosti průchodů tří elektronů během nabíjení i vybíjení. Teoreticky by mohla kapacita být až třikrát vyšší než u Li-Ion, a to v menším a lehčím obalu. Přesto je třeba překonat technické výzvy hlavně u katodových materiálů.

Nynější katodové materiály a problém s jejich stabilitou - dřívější systémy využívaly oxid manganu, nanovlákna vanadu či polymery. Životnost dosahovala kolem stovky cyklů a postupy se rychle rozpadaly. Vědci proto hledají lepší katody a flexibilní řešení pro vysokou stabilitu. Pan profesor Dai a jeho tým našli novou katodu: flexibilní 3-D grafitová pěna, která umožňuje velké množství hliníkových iontů a rychlý pohyb iontů, což zrychluje nabíjení i vybíjení.

Hliníkové baterie podle studií z Pekingu vykazují kapacitu kolem 121 mAh/g u katody a odhadovanou gravimetrickou hustotu energie 220-230 Wh/kg, s celkovým potenciálem výrazně nižší než Li-Ion. Životnost se uvádí kolem 7 500 nabíjecích cyklů při 100% hloubce vybití, což je výrazně nad Li-Ion. Bezpečnost a ohebnost baterie nabízí další významnou výhodu; absence výbuchu a odolnost proti poškození obalu otevírá perspektivy pro široké uplatnění, včetně chytrých zařízení a skladování energie s obnovitelnými zdroji.

Výzkumníci z Pekingské technické univerzity dále demonstrují, že stabilní elektrolyt v pevné fázi lze dosáhnout s použitím fluoridu hlinitého, který vytváří pórovitou trojrozměrnou síť a umožňuje vysokou vodivost. Tím se zajišťuje pevný kompozitní materiál, jenž nepřekoná ztrátu elektrolytu. Výsledky ukazují, že i po 10 000 cyklech zůstává kapacita kolem 99 %.

Další výhoddou je cena hlinitých surovin - hlinitík je čtvrtinovou cenou lithia, a proto hliníko-iontové baterie mohou být levnější alternativou, pokud se navýší energetická hustota. Pro komerční masovou výrobu je však potřeba zvýšit energetickou hustotu a vyřešit další technologické detaily. Hliníko-iontové baterie by se mohly uplatnit v chytrých telefonech, noteboacích a v uložení energie pro OZE. V současnosti prudce roste zájem o nové chemie baterií a širokou škálu technologií pro udržitelnou budoucnost.

Další související technologie a trendy

• Solid-state baterie (SSB) s keramickým separátorem, který omezuje tvorbu dendridů - vyvíjí PowerCo a CATL.
• Natriově založené technologie Na-ion (sodíkové baterie) s rychlým nabíjením a lepší odolností vůči teplotám, ale nižší energetickou hustotou.
• Vrbová technologie vodných elektrolytů a stabilních radikálů (AARB) pro bezpečnější a levnější baterie s rychlým nabíjením a širším použitím v elektronice a OZE.

V automobilovém průmyslu dominuje současnost Li-Ion (NMC, NCA) a LiFePO4. Probíhají snahy zlepšit grafit a nahradit ho křemíkem, zlepšit anody a katody a vyzkoušet nové materiály. Tesla, Toyota, Kia, Hyundai a Mercedes-Benz testují či implementují nové typy baterií, zatímco CATL a další investují do vývoje různých architektur a chemických sloučenin.

Shrnutí klíčových pojmů

• Optima: uzavřený systém bez tekutého elektrolytu, spirálovité články.
• AGM a gelové baterie: bezpečnostní varianty s vlivem na životnost a provoz v Start&Stop
• Hliníko-iontové baterie: vysoká bezpečnost, dlouhá životnost, nižší hustota energie
• SSB: solid-state baterie s keramickým separátorem pro minimální tvorbu dendridů
• Sodíkové Na-ion baterie: rychlé nabíjení a nižší cena, ale nižší hustota energie

Pro čtenáře z praxe: je důležité sledovat údržbu a provozní podmínky. V zimě je vhodné provádět pravidelné kontroly hladiny elektrolytů a nabíjení, čistotu povrchu a testy funkčnosti. Při vybití a nízké teplotě hrozí sulfátace PbSO4 a nárůst vnitřního odporu, proto je nutné akumulátor pravidelně dobíjet a udržovat čistý.

U skládců a výrobců je důležitá nejen samotná technologie, ale i výběr materiálu a konstrukce obalu - hliníkové pouzdro baterie poskytuje lehkost, odolnost a efektivní odvod tepla. Hliníkové pouzdro baterie se používá hlavně v bateriových článcích a sadách pro elektrická vozidla, hybridy a elektrokola a je klíčovým prvkem pro vývoj a spolehlivost baterií v oblasti elektrických vozidel a obnovitelných zdrojů energie.

tags: #autobaterie #s #hlinikovou #technologii