Solid-state sú batérie s pevným elektrolytom, používa sa napríklad keramický, sulfidový alebo polymérny materiál. Väčšina súčasných lítiovo-iónových článkov používa kvapalný alebo gélový elektrolyt, cez ktorý sa medzi anódou a katódou pohybujú ióny lítia.

Séria na tému Batérie v elektromobiloch 8/8

Pod spoločným označením solid-state sa však skrýva viacero technológií. Elektrolyt môže byť keramický, sulfidový, oxidový, polymérny alebo kombinovaný. Niektoré vývojové články sú iba čiastočne pevné a stále obsahujú malé množstvo kvapalnej zložky. Preto nemožno všetky označenia o „pevnej batérii“ považovať za rovnaký technologický stupeň.

Najväčšou nádejou je možnosť použiť anódu z kovového lítia. Tá môže uložiť viac energie než bežná grafitová anóda a umožniť články s vyššou energetickou hustotou. Teoretickým výsledkom by bol dlhší dojazd pri rovnakej hmotnosti alebo ľahšia batéria pri rovnakom dojazde. Pevný elektrolyt môže zároveň znížiť množstvo horľavej kvapaliny. To však neznamená, že každá solid-state batéria bude úplne nehorľavá alebo že nebude potrebovať tepelný manažment. Katódové materiály zostávajú chemicky aktívne a niektoré pevné elektrolyty sú citlivé na vlhkosť, tlak alebo mechanické praskanie.

Batérie s pevným elektrolytom budú zatiaľ drahšie

Najväčším problémom sú rozhrania medzi pevnými vrstvami. Kvapalina ľahko vyplní malé nerovnosti a udrží kontakt s elektródou. Pevný elektrolyt musí zostať dokonale spojený s aktívnym materiálom aj pri opakovanom rozpínaní, zmršťovaní a zmenách teploty. Strata kontaktu zvyšuje elektrický odpor a urýchľuje degradáciu. Výroba tenkých a bezchybných vrstiev vo veľkom formáte je náročná. Články musia dosiahnuť nielen vysokú laboratórnu kapacitu, ale aj tisíce opakovaní, odolnosť proti rýchlemu nabíjaniu, prijateľnú cenu, výťažnosť výroby a bezpečnosť pri nehode.

IEA upozorňuje, že najčastejšie uvádzané výhody solid-state technológií zatiaľ pochádzajú najmä z prototypov a neboli v plnom rozsahu preukázané v bežnej veľkosériovej prevádzke automobilov. Komerčné zavádzanie sa očakáva postupne, pričom masový trh bude pravdepodobne nasledovať až po zvládnutí výrobných nákladov a životnosti.

Solid-state batéria preto nie je technológia, na ktorú by bolo potrebné s kúpou elektromobilu nevyhnutne čakať. Súčasné lítiovo-iónové články sa zároveň neustále zlepšujú a v čase, keď prvé pevné batérie prídu do drahších sériových vozidiel, budú aj klasické NMC a LFP batérie lacnejšie, výkonnejšie a lepšie integrované.

Sodíkovo-iónové batérie: menej lítia, ale nie automaticky nižšia cena

Sodíkovo-iónový článok pracuje na podobnom princípe ako lítiovo-iónový. Pri nabíjaní a vybíjaní sa však medzi elektródami nepohybujú ióny lítia, ale sodíka.

Sodík je veľmi rozšírený prvok a jeho surovinová základňa je geograficky rozmanitejšia. Sodíkovo-iónové batérie môžu používať katódy založené na železe, mangáne, nikli alebo pruskej modrej a príbuzných zlúčeninách. Na anóde sa namiesto bežného grafitu spravidla používa tvrdý uhlík. Potenciálnou výhodou je menšia závislosť od lítia, kobaltu a v niektorých chemických variantoch aj od niklu. Pri oboch elektródach možno použiť hliníkový prúdový kolektor, zatiaľ čo lítiovo-iónová batéria má na anódovej strane spravidla meď. To môže znižovať cenu a hmotnosť niektorých konštrukcií.

Sodíkovo-iónové články majú dobré predpoklady na prevádzku pri nízkych teplotách a na bezpečné skladovanie. Ich hlavnou nevýhodou zostáva nižšia energetická hustota. Ióny sodíka sú väčšie a ťažšie než ióny lítia, takže pri rovnakej hmotnosti článok zvyčajne uloží menej energie. Podľa údajov IEA dosahujú najnovšie sodíkovo-iónové články približne do 175 Wh/kg, zatiaľ čo moderné LFP články môžu dosahovať okolo 205 Wh/kg a špičkové NMC články približne 265 Wh/kg. Pri rovnakom priestore a hmotnosti preto sodíková batéria spravidla poskytne kratší dojazd.

Najvhodnejším použitím môžu byť menšie mestské vozidlá, úžitkové autá s dennými známymi trasami, dvoj- a trojkolesové vozidlá, vysokozdvižné vozíky a stacionárne úložiská. Zaujímavé sú aj hybridné batériové bloky, v ktorých sa lítiové a sodíkové články dopĺňajú. Sodíková časť môže pomôcť pri nízkych teplotách alebo vysokých výkonoch, lítiová časť zabezpečí vyššiu energetickú hustotu.

Sodíkovo-iónová technológia už prekročila rámec laboratórneho výskumu, no jej dodávateľský reťazec a výrobná kapacita sú stále podstatne menšie než pri lítiovo-iónových batériách. IEA uvádza, že rok 2026 môže byť dôležitý pre rozširovanie výroby, zároveň však upozorňuje, že dnešné LFP batérie zostávajú veľmi silným konkurentom v cene, energetickej hustote aj priemyselnej vyspelosti.

Sodík teda pravdepodobne nenahradí lítium vo všetkých automobiloch. Môže však rozšíriť paletu dostupných riešení a uvoľniť časť dopytu po lítiu pre vozidlá, pri ktorých je veľký dojazd skutočne potrebný.

Ilustračné foto: autor AI, batérie s pevným elektrolytom viac v popise¹.

Kremíkové anódy: vysoká kapacita, veľká zmena objemu

Bežná anóda lítiovo-iónovej batérie je vyrobená prevažne z grafitu. Lítium sa pri nabíjaní ukladá medzi jeho vrstvy. Kremík dokáže teoreticky viazať podstatne viac lítia na jednotku hmotnosti, a preto je jedným z najperspektívnejších materiálov pre zvýšenie energetickej hustoty. Jeho problémom je dramatická zmena objemu. Pri prijímaní lítia sa kremík môže niekoľkonásobne zväčšiť a pri vybíjaní opäť zmenšiť. Opakované rozpínanie spôsobuje praskanie častíc, stratu elektrického kontaktu a narúšanie ochrannej vrstvy na povrchu anódy.

Pri každom poškodení sa vytvára nová povrchová vrstva označovaná SEI. Pri jej tvorbe sa spotrebúva časť lítia a elektrolytu, čím postupne klesá využiteľná kapacita. Kremíková anóda preto môže na začiatku ponúkať vysokú kapacitu, ale bez správnej konštrukcie rýchlo degraduje.

Praktickým riešením je dnes najmä kombinácia grafitu a menšieho podielu kremíka alebo oxidu kremičitého. Aj niekoľkopercentná prímes môže zvýšiť kapacitu anódy bez toho, aby boli zmeny objemu nezvládnuteľné. Vývoj smeruje k nanoštruktúrovanému kremíku, poréznym časticiam, pružnejším spojivám, ochranným povlakom a predlitiácii.

S rastúcim podielom kremíka sa mení aj požiadavka na celý článok. Nestačí iba vymeniť anódový prášok. Treba prispôsobiť elektrolyt, spojivo, pórovitosť elektródy, mechanický tlak a spôsob prvého nabitia. Výskumné programy DOE preto kombinujú kremíkové anódy s novými elektrolytmi a katódami a snažia sa súčasne riešiť energetickú hustotu aj životnosť.

Elektromobil počas jazdy nemá výfuk, jeho výroba však nie je bez emisií. Významná časť uhlíkovej stopy vzniká pri ťažbe a spracovaní surovín, výrobe aktívnych materiálov, článkov a celého batériového bloku.

Kremík má výhodu v tom, že sa môže zavádzať postupne do existujúcich výrobných liniek. Na rozdiel od úplne novej batériovej chémie nemusí vyžadovať okamžité nahradenie celého priemyselného systému. Preto je pravdepodobné, že vodiči budú využívať čoraz vyšší podiel kremíka v anódach ešte pred masovým rozšírením plne solid-state batérií.

Nové katódové materiály: menej kobaltu, viac železa a mangánu

Katóda výrazne ovplyvňuje kapacitu, cenu, bezpečnosť aj životnosť článku. Vývoj nových materiálov preto nesmeruje jedným smerom. Niektorí výrobcovia potrebujú maximálny dojazd, iní nízku cenu, vysokú životnosť alebo čo najmenšiu závislosť od kritických surovín. Pri NMC katódach sa postupne zvyšoval podiel niklu a znižoval podiel kobaltu. Nikel zvyšuje kapacitu, no vysokoniklové materiály sú citlivejšie na teplotu, vysoké napätie a chemické reakcie s elektrolytom. Vyžadujú presnejšiu výrobu, povrchové úpravy a sofistikované riadenie.

Vývoj pokračuje smerom ku katódam s vysokým obsahom mangánu. Mangán je lacnejší a geograficky dostupnejší než kobalt. Lítiovo-mangánovo bohaté materiály môžu ponúknuť vysokú kapacitu, no treba vyriešiť pokles napätia počas starnutia, uvoľňovanie kyslíka a štrukturálne zmeny. Argonne National Laboratory v roku 2026 označilo mangánovo bohaté katódy za jednu z ciest k ďalšej generácii lacnejších batérií s menšou závislosťou od niklu a kobaltu.

Rozširuje sa aj LFP chémia. Jej výhodou je vysoká tepelná stabilita, dlhá životnosť a absencia niklu a kobaltu. Nevýhodou je nižšia energetická hustota. Výrobcovia ju zmierňujú konštrukciou cell-to-pack, väčšími článkami, zlepšením vodivosti a efektívnejším využitím priestoru.

Ďalším krokom je LMFP – lítium-mangán-železo-fosfát. Pridaním mangánu sa zvyšuje prevádzkové napätie a potenciálne aj množstvo energie oproti klasickému LFP. Výrobca však musí zvládnuť nižšiu vodivosť a stabilitu materiálu pri dlhodobom používaní.

Pre sodíkovo-iónové batérie sa skúmajú vrstvené oxidy, polyaniónové materiály a zlúčeniny typu pruskej modrej. Argonne napríklad vyvinulo sodíkovú katódu založenú na nikli, mangáne a železe s cieľom zvýšiť energetickú hustotu a obmedziť používanie kritických prvkov.

Výskum pokračuje aj pri lítium-sírových, lítium-vzduchových a vysokonapäťových spinelových katódach. Tieto systémy sľubujú vysokú teoretickú kapacitu alebo lacnejšie materiály, no zatiaľ zápasia so životnosťou, vedľajšími reakciami, nízkou účinnosťou alebo náročnou ochranou elektród.

Budúcnosť preto pravdepodobne nebude patriť jednému univerzálnemu materiálu. Automobil s dlhým dojazdom môže používať vysokoniklovú katódu a anódu s vyšším podielom kremíka. Mestské vozidlo môže dostať LFP, LMFP alebo sodíkovo-iónovú batériu. Úžitkové vozidlo môže uprednostniť životnosť a rýchle nabíjanie pred maximálnou energetickou hustotou.

Týmto prakticky končíme náš seriál o batériách v elektromobiloch. V nasledujúcom článku všetko zhrnieme.

Koniec 8 časti

Súvisiace:
Batérie v elektromobiloch 1/8
Batérie v elektromobiloch 2/8
Batérie v elektromobiloch 3/8
Batérie v elektromobiloch 4/8
Batérie v elektromobiloch 5/8
Batérie v elektromobiloch 6/8
Batérie v elektromobiloch 7/8

Zdroje:

1 Foto: AI, batérie s pevným elektrolytom generované ChatGPT
2 U.S. Department of Energy (DOE)
Princíp batérií, vývoj, nabíjanie, výskum a bezpečnosť batériových systémov.
3 DOE – Office of Science
Podrobné vysvetlenie fungovania batérií, elektrochémie a lítium-iónových článkov.
4 Oak Ridge National Laboratory (ORNL)
Výskum trakčných batérií, degradácia, recyklácia, druhý život batérií a výroba.
5 Argonne National Laboratory (ANL)
Vývoj nových batériových technológií, materiálov článkov a systémov ukladania energie.
6 National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Elektromobilita, nabíjanie, tepelný manažment batérií, výskum a testovanie.
7 Royal Society of Chemistry (RSC)
Recenzované vedecké štúdie o degradácii lítium-iónových batérií, elektrochémii a materiáloch.
8 International Energy Agency (IEA)
Svetový trh s batériami, výroba, ceny, suroviny, prognózy a energetická politika.
9 International Council on Clean Transportation (ICCT)>
Analýzy elektromobility, životný cyklus vozidiel, emisie a legislatíva.
10 European Environment Agency (EEA)
Environmentálne dopady dopravy, európska legislatíva a štatistiky.
11 Battery University
Praktické vysvetlenia nabíjania, životnosti, skladovania a používania akumulátorov.
12 Nabito.sk, Nabíjanie, Fotovoltaika, pre Firmy, Domácnosti
https://nabito.sk/

Údaje použité v článku sú verejne dostupné v rámci informácií z médií, rozhodujúce fakty je vhodné overovať v citovaných
zdrojoch Autor pri vyhľadávaní okrem iného používa aj nástroje umelej inteligencie.