O 15 % více energie ve stejné baterii. Němci přišli na to, jak z článků vyhodit „mrtvou váhu

Ve vývoji trakčních akumulátorů i velkých stacionárních úložišť se většina pozornosti obvykle soustředí na hledání nových chemických směsí – ať už jde o křemíkové anody, tuhé elektrolyty nebo alternativní ionty. Německý Fraunhoferův institut pro solární energetické systémy ISE ve Freiburgu však ukázal, že podstatného navýšení kapacity lze dosáhnout i úpravou vnitřní mechanické stavby stávajících článků. Změnou tloušťky elektrod dokázal pojmout znatelně více energie do stejného objemu a při stejné váze.

Méně fólií, více aktivní hmoty

Klasický bateriový článek – ať už prizmatický, válcový nebo typu pouch – se skládá z mnoha tenkých vrstev. Na kovové fólie (nejčastěji měděné pro anodu a hliníkové pro katodu), které slouží jako sběrače elektrického proudu, se nanáší tenký film aktivního materiálu. Běžná průmyslová tloušťka tohoto povlaku se pohybuje mezi 100 a 200 mikrometry. Právě tyto kovové fólie a separátory však tvoří takzvanou „mrtvou hmotnost“, která sama o sobě žádnou energii neukládá, pouze ji odvádí.

Výzkumný tým vedený Dr. Oliverem Fitzem tento poměr radikálně přepracoval. Povlak aktivního materiálu zesílil až na 800 mikrometrů. „Obvykle se anoda a katoda skládají z mnoha tenkých střídajících se vrstev povlaku elektrod a sběračů proudu,“ vysvětluje Dr. Oliver Fitz, vedoucí skupiny pro technologii bateriových článků ve Fraunhofer ISE. „Nám se podařilo zvýšit tloušťku povlaku elektrod z dřívějších standardních 100 až 200 mikrometrů až na 800 mikrometrů, čímž jsme výrazně snížili počet potřebných sběračů proudu. Ve výsledku máme mnohem více prostoru pro aktivní materiál, což podle typu a konstrukce baterie zvyšuje hustotu energie o 10 až 15 procent.“

Ověřeno na lithiu, sodíku i zinku

Nová architektura není vázána pouze na jeden typ chemie. Výzkumníci ji nejprve experimentálně ověřili v laboratorních podmínkách na malých článcích tří různých typů: klasických lithium-iontových, zinko-iontových a sodíko-iontových. Následně v čistých prostorách laboratoře Battery Materials and Cell Production Lab ve Freiburgu vyrobili funkční prototypy lithium-iontových pouch článků s kapacitou 4,5 Ah na poloautomatizované pilotní lince odpovídající průmyslovým standardům.

Přizpůsobitelnost pro různé chemické báze je klíčová. Právě u sodíkových článků, o jejichž průmyslovém rozvoji jsme podrobně psali v článku o masových investicích do sodíkových baterií, představuje nižší objemová hustota energie jednu z hlavních nevýhod vůči lithiu. Pokud se podaří ze sodíkových článků odbourat přebytečné sběrače proudu a zvednout hustotu o 10 až 15 procent pouhou architekturou elektrod, může to jejich nástup do levnějších elektromobilů a velkých úložišť výrazně urychlit.

Bez PFAS a toxických rozpouštědel

Vedle samotné hustoty energie přináší novinka zásadní posun v udržitelnosti a výrobních nákladech. Elektrody vyvinuté ve Fraunhofer ISE jsou zcela bez škodlivých chemikálií PFAS a při jejich nanášení se nepoužívají toxická rozpouštědla (například N-methyl-2-pyrrolidon neboli NMP, který vyžaduje nákladné rekuperační sušicí linky). Celá výrobní linka tak vykazuje podstatně nižší technologickou složitost než konvenční systémy pro mokré nanášení, což snižuje jak počáteční investiční náklady (CAPEX), tak provozní náklady (OPEX) díky menším nárokům na prostor a energii.

Na projektu se podíleli také průmysloví partneři. Strojírenská firma acp systems AG vyvíjí zařízení pro samotné nanášení tlustých elektrod, zatímco dodavatel Helmut Hechinger GmbH & Co. KG přináší zkušenosti ze sériové výroby pro automotive. Generální ředitel společnosti Hechinger Markus Duffner k tomu uvedl, že firma již dnes generuje přes 30 procent svých tržeb v elektromobilitě a v případě úspěšného škálování je připravena technologii industrializovat, zejména se zaměřením na stacionární bateriová úložiště v Bádensku-Württembersku.

Cesta do praxe: Úložiště mají přednost, elektromobily následují

Ředitel institutu Fraunhofer ISE Prof. Dr. Andreas Bett zdůrazňuje, že technologie míří v první fázi především do stacionární energetiky, která je nezbytná pro vyrovnávání dodávek ze solárních a větrných elektráren. V energetických úložištích nejsou požadavky na extrémně vysoké nabíjecí a vybíjecí proudy (C-rate) tak striktní jako u sportovních elektroaut, což je pro tlusté elektrody přirozenější provozní prostředí.

U trakčních baterií pro elektromobily totiž silnější vrstva aktivního materiálu prodlužuje dráhu, kterou musejí ionty a elektrony při nabíjení a prudké akceleraci urazit, což může zvyšovat vnitřní odpor při vysokém zatížení. Využití u běžných elektromobilů se proto rýsuje spíše pro modely zaměřené na efektivitu a stabilní dojezd než na ultra-rychlé nabíjení s výkony stovek kilowattů. Výzkum probíhal v rámci německých vládních projektů VORAN (sodíkové články, běží do června 2027), INFAB a WinZIB2 (zinkové články), podpořených spolkovými ministerstvy hospodářství a výzkumu. Bližší podrobnosti institut zveřejnil v oficiální tiskové zprávě.

Proč tlustší elektrody automaticky neznamenají pomalejší nabíjení elektromobilu?

U tlustých elektrod s tloušťkou až 800 mikrometrů mají ionty delší difuzní dráhu, což při vysokých proudech zvyšuje vnitřní odpor. Proto jsou tyto články v první řadě určeny pro stacionární úložiště a městské či standardní elektromobily, kde se nabíjí středními výkony. Pro masové nasazení ve vozech s ultra-rychlým nabíjením bude nutné strukturu pórů v elektrodách dále optimalizovat.

V čem spočívá ekologický přínos výroby elektrod bez PFAS?

Látky PFAS (per- a polyfluorované alkylové sloučeniny) jsou označovány jako věčné chemikálie kvůli své mimořádné perzistenci v životním prostředí a lidském těle. Odstranění PFAS i toxických organických rozpouštědel zjednodušuje proces recyklace článků a eliminuje nutnost drahých ventilačních a záchytných systémů v továrnách.