Současné limity lithium-iontových baterií
Standardní lithium-iontové baterie jsou optimalizovány pro provoz při teplotách kolem 25°C. Mimo tento ideální rozsah výrazně ztrácejí na výkonu. Při nízkých teplotách se chemické reakce v baterii zpomalují, což vede ke snížení dojezdu až o 40 procent. Naopak vysoké teploty urychlují degradaci baterie a v extrémních případech mohou vést k bezpečnostním rizikům včetně tepelného úniku.
"Nyní, když jsou tyto baterie integrovány do elektromobilů, datových center a rozsáhlých systémů, které mohou běžet velmi horké, se tato stabilní provozní teplota stala pro výrobce problematickou," vysvětlil profesor Chao-Yang Wang, vedoucí projektu z katedry strojního inženýrství Penn State.
Jak funguje All-Climate Battery
Tým z Penn State řešil základní konstrukční nedostatek konvenčních Li-ion baterií pomocí duální strategie. Místo kompromisů mezi výkonem v chladu a stabilitou v horku implementovali dvě odlišné techniky:
Pro vysoké teploty upravili elektrody a elektrolyt tak, aby zvládly větší tepelnou zátěž. Klíčové je nahrazení nestabilního kapalného elektrolytu, který se používá v tradičních Li-ion bateriích. Tato modifikace zajišťuje vysokou stabilitu a bezpečnost v horkém prostředí.
Pro nízké teploty vědci do baterie integrovali interní vyhřívací strukturu složenou z tenké niklové fólie o tloušťce přibližně 10 mikrometrů. Topení je napájeno přímo z baterie, což umožňuje systému rychle se zahřát a zlepšit výkon v chladném prostředí.
Širší provozní rozsah bez kompromisů
Současná řešení pro správu teploty baterií – objemné externí systémy pro ohřev a chlazení – jsou energeticky náročné a nabízejí pouze omezený provozní rozsah od -30°C do 45°C. All-Climate Battery má podle výzkumníků z Penn State spolehlivě fungovat v mnohem širším rozsahu: od -50°C až do 75°C.
Profesor Wang naznačil, že s dalším vývojem a testováním by mohly být ACB optimalizovány pro provoz při teplotách až 70°C až 85°C. To otevírá možnosti pro aplikace, které byly dosud pro Li-ion baterie považovány za neproveditelné – například zařízení v pouštích nebo polárních oblastech.
Výhody pro elektromobily a datová centra
Integrace termální správy přímo do baterie podle Wanga snižuje potřebu prostoru, spotřebu energie a nároky na údržbu. To může vést k významným úsporám zejména pro velká zařízení, jako jsou datová centra, která využívají tisíce baterií.
Pro elektromobily by nový design mohl znamenat konzistentnější výkon v průběhu roku bez ohledu na roční období či klimatickou zónu. Řidiči v chladných i horkých oblastech by mohli očekávat stabilnější dojezd a kratší časy nabíjení i mimo ideální teplotní podmínky.
Cesta ke komerční dostupnosti
Je důležité zdůraznit, že výzkum publikovaný 5. listopadu 2025 v časopise Joule představuje koncept a návrh designu, nikoliv komerčně dostupný produkt. Tým Penn State na tomto projektu pracuje již více než deset let a vychází z předchozích výzkumů v oblasti termální modulace baterií.
Výzkumný tým zahrnuje kromě profesora Wanga také postdoktoranda Kaiqianga Qina a doktoranda mechanického inženýrství Niteshe Guptu. Jejich práce staví na desetiletí výzkumu baterií a představuje postup směrem k řešení dlouhodobého problému, s nímž se potýkají nejen výrobci elektromobilů, ale i provozovatelé datových center a další průmyslová odvětví závislá na bateriích.
Kontext vývoje bateriových systémů
Problém s teplotní závislostí lithium-iontových baterií je v automobilovém průmyslu dobře známý. Při mrazivých teplotách dochází k procesu zvanému lithium plating – na povrchu anody se vytváří kovové lithium, což trvale snižuje kapacitu baterie a zvyšuje její vnitřní odpor. Naopak při vysokých teplotách se urychluje růst vrstvy SEI (Solid Electrolyte Interphase), což vede k rychlejší degradaci.
Automobilky v současnosti řeší tyto problémy pomocí komplexních systémů termální správy – kapalinového chlazení, předehřívání baterií před jízdou či nabíjením. Tyto systémy ale spotřebovávají energii a zvyšují hmotnost vozidla, což se negativně projevuje na dojezdu.
Trh s bateriemi roste, výzvy přetrvávají
Podle tržních analýz by měl globální trh s battery thermal management systémy (BTMS) růst tempem přes 20 procent ročně a do roku 2034 dosáhnout hodnoty přes 58 miliard dolarů. Tento růst je tažen zejména expandujícím trhem elektromobilů a narůstajícími požadavky na bezpečnost a výkon baterií.
Zároveň však trh čelí výzvám – od nedostatku surovin přes složitost integrace až po vysoké náklady. Řešení, jako je navrhovaná All-Climate Battery, by mohla některé z těchto problémů řešit díky zjednodušení konstrukce a snížení závislosti na externích systémech.
Co to znamená pro budoucnost elektromobilů
Pokud se výzkum Penn State podaří převést do praxe, mohlo by to změnit přístup k návrhu baterií pro elektromobily. Místo kompromisů mezi výkonem v různých teplotách by výrobci mohli nabídnout jednotné řešení fungující spolehlivě prakticky kdekoliv na světě.
"Naše společnost je stále více závislá na elektřině a neukazuje žádné známky zpomalení," uzavřel profesor Wang. "Jak budeme pokračovat ve vývoji technologií, jako je umělá inteligence, datová centra nebo vysoce pokročilé drony a elektromobily, které vyžadují obrovské množství energie, budeme muset neustále zlepšovat baterie, které je napájí."
Otázkou zůstává, jak dlouho potrvá cesta od koncepčního návrhu k sériové výrobě. Historie vývoje baterií ukazuje, že cesta z laboratoře do výroby často trvá pět až deset let a vyžaduje rozsáhlé testování, optimalizaci pro velkoobjemovou výrobu a zajištění konkurenceschopné ceny.
