Společnost CATL představila baterii, která slibuje revoluci v elektromobilitě: ultrarychlé nabíjení za 12 minut a životnost přes 1,5 milionu kilometrů. Pokud se laboratorní výsledky potvrdí v praxi, mohou elektromobily konečně překonat jednu z posledních velkých bariér – obavy z výdrže baterie.
Až donedávna bylo jedním z velkých problémů elektromobilů nejen to, jak dlouho trvá dobíjení jejich baterií, ale i to, jak dlouho vydrží. Lithium-iontové baterie, které pohánějí většinu elektromobilů (a většinu elektronických zařízení), mají omezenou životnost: při každodenním nabíjení a vybíjení kapacita článků postupně degraduje a po několika stovkách plných cyklů mnohé z nich ztratí značnou část své energie. V praxi to znamená, že baterie automobilu nebo zařízení má tendenci v průběhu let ztrácet autonomii a v určitém okamžiku může být pro zachování přijatelného výkonu nutná její výměna.
V případě dnešních elektromobilů výrobci obvykle nabízejí záruku v rozmezí 160 000 až 240 000 km nebo 8 až 10 let, aby bylo zachováno například alespoň 70 % původní kapacity. Jinými slovy, průmysl předpokládá, že baterie je součástka s omezenou životností a že dříve či později bude muset být vyměněna nebo se smířit s kratším dojezdem. To vyvolalo u mnoha řidičů obavy z dlouhodobých nákladů na přechod na elektromobily a z dopadu výroby a recyklace takového množství baterií na životní prostředí.
Nyní však čínská společnost Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) – jeden z největších světových výrobců baterií a dodavatel značek jako Tesla, BMW, Mercedes-Benz a Volkswagen – učinila důležitý krok, který by mohl tento příběh nově definovat. Společnost CATL oznámila nový akumulátor s označením 5C, který kombinuje ultrarychlé nabíjení s extrémně dlouhou životností, alespoň v laboratorních testech za kontrolovaných podmínek.
Oznámení je součástí celosvětového závodu ve vylepšování baterií pro elektromobily. V posledních letech již CATL představila technologie, jako jsou baterie LFP (lithium-ferrofosfátové) s dlouhou životností a baterie „Qilin“, která se zaměřuje na zvýšení energetické hustoty a bezpečnosti. Nyní si s touto novou chemií s velmi rychlým nabíjením a dlouhou životností bere společnost na mušku jednu z největších obav uživatelů: že baterie „umře“ dříve než automobil.
„5C“ v názvu odkazuje na rychlost nabíjení a vybíjení baterie: hodnocení, které udává, jak rychle může přijímat energii, aniž by došlo k její degradaci. Baterie 5C se plně nabije za přibližně 12 minut, pokud to dovolí nabíjecí infrastruktura. Zjednodušeně řečeno: hodnocení 1C znamená, že baterie je plně nabitá za jednu hodinu; 2C za půl hodiny; 5C za přibližně 12 minut. Tím se tato baterie řadí do kategorie ultrarychlého nabíjení, což je úroveň, která byla dosud vyhrazena experimentálním technologiím nebo laboratorním demonstracím a která by mohla přiblížit nabíjení elektromobilů k nabíjení automobilů se spalovacím motorem.
V praxi 5C baterie nemusí nutně znamenat, že se vždy nabije z 0-100 % za 12 minut. Výrobci obvykle omezují maximální výkon, aby ochránili baterii, a závěrečná část nabíjení (z 80 % na 100 %) bývá z bezpečnostních důvodů pomalejší. Přesto by schopnost zotavit se například z 10 na 80 % za méně než 10-12 minut znamenala radikální změnu ve vnímání elektromobilů pro dlouhé cesty.
Skutečným lákadlem je však odhadovaná životnost baterie. CATL tvrdí, že si baterie udrží nejméně 80 % své původní kapacity po 3 000 plných cyklech nabíjení a vybíjení při mírných teplotách (kolem 20 °C). Pokud se toto číslo přepočítá na ujeté kilometry, znamená to přibližně 1,8 milionu kilometrů, než dojde k výrazné degradaci, což by podle společnosti mohlo přesáhnout životnost vozidla, ve kterém je baterie instalována. Toto číslo je přibližně šestkrát delší než typická životnost dnešních baterií pro elektromobily.
Pro představu, mnoho automobilů se spalovacími motory jen zřídkakdy překročí milion kilometrů, aniž by došlo k zásadní přestavbě motoru nebo nákladným opravám. V případě, že baterie vydrží 1,5-1,8 milionu kilometrů, je možné, že vozidlo projde několika majiteli, výměnou pneumatik, brzd, odpružení a dokonce i interiéru, ale stále bude používat stejnou původní baterii se stále přijatelným dojezdem.
Baterie s touto životností navíc otevírá dveře k druhému a třetímu použití. Když už není pro automobil optimální (např. když její kapacita klesne pod 80 %), mohla by být znovu použita ve stacionárních aplikacích, jako je skladování energie v domácnostech, budovách nebo energetických sítích, což by dále prodloužilo její celkovou životnost a zlepšilo její dopad na životní prostředí.
Pro představu: běžná baterie v moderním elektromobilu si obvykle zachovává velkou část své kapacity po dobu 500 až 1 000 plných cyklů, než dojde k její degradaci. U elektromobilu to obvykle není více než 600 000 km. Kromě toho se degradace urychluje, pokud se často používá rychlé nabíjení, protože vnitřní chemické procesy (např. tvorba lithiových dendritů nebo úbytek aktivního materiálu) snižují kapacitu rychleji. Návrh společnosti CATL naproti tomu naznačuje výrazný kvalitativní skok, pokud budou tyto hodnoty splněny v reálných podmínkách.
Je třeba připomenout, že údaje o životnosti se obvykle měří za velmi kontrolovaných podmínek: stabilní teplota, definované rozsahy nabití (např. 10-90 %), konstantní proudy a bez prudkých změn v používání, které se vyskytují v reálném životě (prudké zrychlení, extrémní počasí, dlouhá období nepoužívání atd.). Proto jsou inzerované ekvivalentní kilometry teoretickým odhadem založeným na laboratorních testech, nikoli absolutní zárukou toho, co se stane na silnici.
Kromě toho společnost CATL prokázala, že její baterie vydrží i v extrémních vedrech. Při interních testech při teplotě 60 °C, která je srovnatelná s velmi horkým létem nebo s bateriemi, na které je kladen velký nárok v horkém podnebí, si baterie zachovala přibližně 80 % své kapacity po 1 400 plných cyklech, což odpovídá přibližně 840 000 km intenzivního používání, což je výkon, který překonává i mnoho současných komerčních baterií v náročních okolních podmínkách.
Teplo je jedním z velkých nepřátel lithium-iontových baterií. Při vysokých teplotách se urychlují vnitřní chemické reakce, vzniká více nežádoucích vedlejších produktů a zvyšuje se riziko rychlé degradace nebo dokonce bezpečnostního selhání. Aby si baterie udržela dobrou výkonnost při 60 °C, znamená to, že tepelná konstrukce a vnitřní chemie jsou speciálně optimalizovány tak, aby odolaly náročným podmínkám, což je klíčové pro trhy, jako je Střední východ, jižní Evropa a některé oblasti Číny a Spojených států.
Společnost toho dosáhla díky několika technologickým inovacím v oblasti konstrukce baterií a materiálů. Například hustší a rovnoměrnější vrstva katody snižuje opotřebení konstrukce a omezuje ztráty kovových iontů během rychlého nabíjení a vybíjení.
V lithium-iontové baterii je katoda kladnou elektrodou, kde se ukládají ionty lithia při vybíjení baterie. Pokud tato vrstva praská, drolí se nebo časem ztrácí aktivní materiál, kapacita se snižuje. Vytvoření hustší a homogennější katody snižuje výskyt mikrotrhlin a zlepšuje mechanickou stabilitu, což je důležité zejména tehdy, když je baterie vystavena velmi vysokým proudům (jako při nabíjení 5C).
Použila také speciální přísadu do elektrolytu, která pomáhá opravovat vnitřní mikrotrhliny a snižovat ztráty lithia. Elektrolyt je „kapalina“ (nebo gel), která umožňuje pohyb iontů lithia mezi anodou a katodou. Časem se na anodě vytvoří vrstva zvaná SEI (solid-electrolyte interface), která je pro provoz nezbytná, ale pokud příliš zesílí, spotřebovává lithium a snižuje kapacitu. Nové přísady mají za cíl stabilizovat tuto vrstvu SEI a v některých případech „samoregenerovat“ drobná vnitřní poškození, aby baterie při každém cyklu méně trpěla.
Jako by to nestačilo, byl také vyvinut teplotně citlivý povlak na separátoru baterie, který zpomaluje migraci iontů při zvýšení teploty. Separátor je tenká membrána, která zabraňuje dotyku anody a katody (což by způsobilo zkrat), ale umožňuje průchod iontů. Díky tomu, že je „teplotně inteligentní“, lze omezit proud, když se systém příliš zahřeje, což funguje jako jakási vnitřní bezpečnostní brzda, která snižuje riziko přehřátí.
A konečně má vylepšený systém řízení teploty (BMS), který směruje chlazení do horkých míst baterie, vyrovnává teploty a snižuje pravděpodobnost zrychlené degradace nebo tepelného selhání. Systém BMS (Battery Management System) je „mozkem“ baterie: sleduje napětí, teploty, proudy a stav nabití a rozhoduje o tom, jak nabíjet a vybíjet jednotlivé články, aby se maximalizovala jejich životnost a bezpečnost. Společnost CATL tvrdí, že v této nové generaci vylepšila algoritmy a konstrukci chladicích kanálů, aby působily přesněji tam, kde to baterie nejvíce potřebuje.
Dalším důležitým aspektem je základní chemické složení baterie. Ačkoli společnost CATL nezveřejnila úplné podrobnosti, nedávno představila ultra rychlonabíjecí baterie založené na vylepšeném lithium-ferrofosfátu (LFP), chemii známé pro svou vysokou odolnost a bezpečnost, ale s nižší hustotou energie než baterie NMC (nikl-mangan-kobalt). Pokud je tato nová baterie s dojezdem 1,5 milionu kilometrů založena na zdokonaleném LFP, zapadá to do trendu v odvětví, který upřednostňuje životnost a náklady před maximálním dojezdem na jedno nabití.
Souběžně s tím zkoumají baterie s „dlouhou životností“ i další výrobci. Například společnost Tesla již několik let hovoří o „baterii na milion mil“ (cca 1,6 milionu km), která vychází z výzkumu týmu profesora Jeffa Dahna v Kanadě. Společnosti jako BYD, Gotion nebo CALB rovněž oznámily průlom v oblasti baterií s nízkou životností a vysokou životností cyklu. Rozdíl je v tom, že CATL kombinuje tuto životnost s ultrarychlým 5C nabíjením, což bylo dosud obtížné, aniž by byla obětována životnost.
Pokud se tyto údaje potvrdí v praxi, bude to mít pro trh s elektromobily hluboké důsledky. Pro koncového uživatele baterie, která přežije životnost vozu, snižuje obavy z nákladné výměny. Výrobcům umožní navrhovat modely s delší zárukou a potenciálně i nové obchodní modely, jako je leasing baterií nebo sdílení vozového parku, které maximalizují životnost akumulátoru.
Mohlo by to také změnit ekonomiku elektrických užitkových vozidel (taxi, VTC, dodávky, lehké nákladní automobily), která ročně ujedou mnohem více kilometrů než osobní automobil. V těchto případech může baterie schopná ujet více než milion kilometrů s častým rychlonabíjením výrazně snížit celkové náklady na vlastnictví a urychlit elektrifikaci profesionálních vozových parků.
Z ekologického hlediska znamená baterie, která vydrží šestkrát déle než konvenční baterie, teoreticky méně vyrobených baterií a méně odpadu na ujetý kilometr. To sice neeliminuje problémy spojené s těžbou lithia, niklu nebo jiných materiálů, ani potřebu účinných recyklačních systémů, ale zlepšuje to celkovou rovnici: více užitečných kilometrů na každý kilogram vytěženého materiálu.
Navzdory těmto číslům je třeba připomenout, že údaje pocházejí z interních testů společnosti CATL a že nezávislé výsledky zatím nebyly zveřejněny, stejně jako není jasné, kdy a v jakých vozidlech bude tato baterie nasazena v průmyslovém měřítku. Masové rozšíření bude záviset na faktorech, jako jsou výrobní náklady, bezpečnostní certifikace, kompatibilita s infrastrukturou pro ultrarychlé nabíjení a výkon v různých podmínkách, včetně nízkých teplot nebo jiných reálných prostředí.
Například v chladném podnebí mají baterie tendenci fungovat hůře: snižuje se pohyblivost iontů, zvyšuje se vnitřní odpor a rychlé nabíjení je obtížnější bez poškození článků. CATL zdůraznil dobrý výkon při vysokých teplotách, ale podrobné údaje o výkonu při -10 °C nebo -20 °C, což jsou běžné podmínky v severských zemích, Kanadě nebo v některých částech Číny a USA, stále chybí.
Dalším klíčovým bodem je infrastruktura. Pro využití 5C baterie jsou zapotřebí nabíječky schopné dodávat velmi vysoký výkon bezpečným a stabilním způsobem. V současné době se síť ultrarychlého nabíjení rozrůstá, ale v mnoha zemích je stále omezená a ne všechna nabíjecí místa dosahují teoretických maximálních výkonů. Nabíjení při 5C navíc znamená zvládnutí velkých špiček v poptávce po síti, což bude vyžadovat plánování, posílení infrastruktury a případně řešení, jako jsou mezibaterie u nabíjecích stanic.
Pokud jde o náklady, společnost CATL neupřesnila, o kolik bude tato nová baterie dražší ve srovnání se současnými bateriemi. V jiných prezentacích společnost uvedla, že jejím cílem je udržet konkurenceschopnou cenu, zejména v segmentu LFP, který se již stal jednou z nejlevnějších možností v přepočtu na kWh. Nové materiály, přísady a pokročilé systémy řízení však mají tendenci zpočátku výrobek zdražit, což se časem s rozšiřováním výroby zlevní.
V neposlední řadě je zde otázka regulace a bezpečnosti. Před uvedením na trh musí každá nová baterie projít nárazem, proražením, přebitím, požárem a dalšími extrémními scénáři, aby se zajistilo, že nepředstavuje riziko pro cestující ve vozidle nebo životní prostředí. Společnost CATL má v této oblasti dlouholeté zkušenosti a dodává výrobcům prvního řádu, ale každá nová chemie nebo architektura vyžaduje vlastní certifikační proces.
Baterie s dojezdem 1,5 milionu kilometrů a 12minutovým nabíjením, kterou oznámila společnost CATL, představuje velmi slibný průlom v technologii skladování energie. Pokud se laboratorní údaje alespoň částečně promítnou do provozu na silnicích, mohli bychom se dočkat nové generace elektromobilů, v nichž baterie již nebude „Achillovou patou“ a stane se stejně odolnou – ne-li odolnější – jako samotný automobil. Do té doby si budeme muset počkat na první komerční nasazení, údaje z nezávislých testů a skutečné uživatelské zkušenosti, které potvrdí, zda tento milník splní to, co slibuje.