Máme alternativu k lithium-iontovým bateriím?
V diskuzích k těžbě lithia se často objevují vědoucí komentáře: “Lithium je zbytečné, protože pokrok jde dál. Vždyť jsou k dispozici i články na bázi sodíku!” Jak to je doopravdy?
Nezbytné elektrochemické minimum
Abychom mohli na otázku v titulku odpovědět opravdu komplexně, je třeba úplně základní uvedení do elektrochemie: odpusťte mi to a přijměte to s trpělivostí, prosím.
Okřídlenou historku o italském lékaři Luigim Galvanim, kterému se cukala žabí stehýnka, pravděpodobně znáte. Galvani pohyb přisoudil živočišné elektřině; ve skutečnosti proud elektronů přecházel mezi zinkovými svorkami a měděným drátem. Zinek (jako neušlechtilý kov) se chtěl oxidovat (tedy: zbavit elektronů), měď naopak redukovat. Galvani to jen popsal, ale nerozuměl tomu; to se povedlo až mladému Alexandru Humboldtovi (tu scénu čtivě - až hororově - zachycuje v jedné kapitole románu Vyměřování světa Daniel Kehlmann, vřele doporučuji kliknout na odkaz). Zinek s mědí tvoří elektrody tzv. Daniellova článku, jeho napětí je asi 1,1 V a v návodech k pokusům pro mladší školní věk ho najdete obvykle pod názvem např. “ovocná baterie” (zapíchnete plíšek z mědi a zinku třeba do citronu a pociťte na jazyku ránu; o to ovoce pochopitelně vůbec nejde, citronová šťáva tam funguje jako elektrolyt). Dnes říkáme, že zinek má nižší standardní redukční potenciál než měď. “Chemické nepřátelství kovů” - rozdíl v potenciálech - je napětí, které může průchod elektronů mezi oběma kovy (elektrodami) přinést. Lithium má z celé periodické tabulky standardní redukční potenciál úplně nejnižší, konkrétně -3,04 V. Račte se sami přesvědčit v tabulce. A teď už můžeme na baterie.
Požadavky na skvělou baterii
Budete-li vynalézat nový typ baterie, musíte při hledání kovů pro jeho elektrody vzít v úvahu následující podmínky:
Co nejnižší standardní redukční potenciál (aby baterie dávala slušné napětí, potřebujete nějaký málo ušlechtilý kov s hodně zápornou hodnotou potenciálu)
Co nejvyšší kapacita (obvykle vztažená vůči hmotnosti)
Netoxicita
Vysoký počet nabíjecích cyklů
Ekonomická, technologická a politická dostupnost (máme to kde získat? je tam stabilní režim?).
Podívejte se na tuhle tabulku (zdroj):
Tady je vidět, že ty nejlepší možnosti už jsme vyzkoušeli: Když pomineme toxické, drahé a těžké kovy, moc nám toho nezbývá. Z uvedených prvků má nejnižší standardní potenciál právě lithium.
Porovnáme-li lithium s jeho nejbližším příbuzným sodíkem na druhém grafu, vidíme, že jeho gravimetrická kapacita je asi 3x vyšší. Třetí graf (zdroj) ukazuje to stejné, přidává ale ekonomický a geografický aspekt: Zatímco zdroje lithia jsou rozmístěny nepravidelně a není jich mnoho, o sodíku (resp. sodných iontech) to neplatí.
Chceme-li tedy procházet jen potenciálně konkurenceschopné varianty, stačí prozkoumat jen několika málo případů.
“Dostatečně dobré” baterie
Otcem (prakticky ve všech významech toho slova) moderních baterií je John B. Goodenough (1922-2023), nositel řady ocenění, včetně Nobelovy ceny za chemii z roku 2019. Vedle mnoha jiných významných objevů má na svém kontě i lithium-iontové baterie. Z výše uvedeného je zřejmé, proč Goodehough sáhl právě po lithiu. V závěru života (v 94 letech!) publikoval objev nového typu článku, tzv. skleněné baterie. Mezitím se ale začaly objevovat baterie sodík-iontové. Pojďme se podívat na jednu po druhé.
Lithium-iontové baterie
Goodenough vymyslel několik baterií na bázi lithia. Nejčastěji se vyrábějí lithium polymerové baterie (elektrolytem je polymerní gel) s LiCoO katodou a grafitovou anodou, anebo s fosforečnanen lithno-železnatým LiFePO4, v elektromobilové branži označovaném jako LFP), případně s lithiem a oxidy manganu nebo LiNiMnCoO2. Kromě lithia takové baterie tedy obsahují i další kovy, jako je nikl, kobalt, nebo mangan.
Česká inovace
Baterie HE3DA je vynález Čecha Jana Procházky, se kterým se snaží prosadit někdy od roku 2010. Opět jde o Li-ion baterii, rozdíl je v konstrukci; to má přinést až dvojnásobnou hustotu skladované energie.
Baterie se od roku 2020 vyrábějí; podnik má ale podle průběžných mediálních zpráv problémy. Pro naši otázku (“Máme alternativu k Li-ion bateriím?”) je technologie HE3DA pořád je Li-ion baterií.
Sodík-iontové baterie
Zásadní inovací, o níž se hovoří, jsou Li-ionkám analogické sodík-iontové články. Hlavní výhodou je dostupnost sodíku, vyrobitelného třeba elektrolýzou chloridu sodného (kuchyňské soli). Nevýhodou má být nižší energetická hustota (tedy vyšší hmotnost baterie, kterou je třeba do elektromobilu/kola dát) a nižší počet nabíjecích cyklů, tedy nižší životnost. Oběma parametry Na-ion tedy proti Li-ion neobstojí. Pro stacionární ukládání elektřiny, kde nevadí vysoká hmotnost (třeba přebytky z domácí fotovoltaiky) by nový typ mohl být vhodný; u aut bude výhodnější Li-ion. V konkrétních číslech: Na-ion má dosahovat 160 Wh/kg, zatím Li-ion běžně dosahuje 200-300 Wh/kg; výše zmíněná HE3DA deklaruje cca dvojnásobek.
Technologie je relativně nová a málo vyzkoušená. Po internetu proto koluje řada informací, obvykle nadšených: Zejména čínská produkce hlásí nastupující boom a velké ambice ve věci odstranění výše zmíněných nedostatků. Za projekty stojí velké čínské automobilky, které jsou na dodávkách lithných surovin z Austrálie a Jižní Ameriky závislé a stejně jako Evropa hledají cestu k surovinové soběstačnosti. Jestli jsou výhledy na 70% cenu (někdy ale taky jen čtvrtinovou) a zároveň srovnatelné technické parametry reálné, zatím nelze posoudit. I v přejících textech se píše o neúplných dodavatelských řetězcích a problémech, které výrobu podle všeho potkají.
V Evropě se Na-ionkám v průmyslovém měřítku věnuje jen švédský Northvolt, v Kalifornii výrobu chystá Natron (více na webu firmy). Informaci, že čínský investor staví na Slovensku gigafactory k produkci sodík-iontových baterií, nelze ověřit. Z veřejných zdrojů vyplývá, že podnik bude vyrábět klasické Li-ion akumulátory.
Skleněné baterie
Posledním typem je tzv. skleněná baterie, za níž opět stojí John Goodeough. Její elektrody jsou opět z alkalického kovu (tedy, zase z lithia nebo sodíku), sklo má funkci elektrolytu. O efektivitě se vedou debaty; pro zodpovězení naší otázky ale stačí tvrzení, že se opět jedná o upravenou Na-ion, resp. Li-ion baterii.
Nenahraditelné lithium? Jak kde
Nelze vyloučit, že v budoucnu lidé vynaleznou zcela jiný typ baterie; s dosavadním poznáním to ale není pravděpodobné. Jak vidíme i na zmíněných inovacích, prakticky vždycky se jedná o konstrukční (HE3DA) nebo chemické (Na-ion) alternativy k Li-iontovým bateriím.
Sodík-iontové baterie si umím dobře představit pro domácí přebytky elektřiny z fotovoltaiky; vzhledem k nižšímu počtu nabíjecích cyklů ale bude ekologičtější i ekonomičtější vyrobenou elektřinu rovnou spotřebovat nebo prodat, například prostřednictvím smart-grids, komunitního sdílení elektřiny nebo jinak.
V automobilech (elektrokolech, koloběžkách ad.), kde každá zátěž navíc zvyšuje provozní náklady, je lithium špatně nahraditelné. Pokud chceme šetřit lithiem, ideální je, když budeme vyrábět méně aut (jak upozorňuje třeba Asociace pro mezinárodní otázky).
Výstižně to shrnuje predikce International Energy Agency, který do grafu zpracoval Jaroslav Kopřiva z AMO: Majorita poptávky po lithiu je způsobena očekávanou poptávkou po elektromobilech.
Bez lithia se tedy - při zachování dosaženého standardu a zároveň žádané dekarbonizaci ekonomiky - v dopravě neobejdeme. To ovšem není generální argument pro jeho těžbu za jakoukoli cenu.
Ke studiu:
HOUSECROFT, Catherine E. a SHARPE, A. G. Anorganická chemie. Přeložil David SEDMIDUBSKÝ, přeložil Ondřej BENEŠ, přeložil Karel HANDLÍŘ, přeložil Petr HOLZHAUSER, přeložil Irena HOSKOVCOVÁ, přeložil Jaroslava KALOUSOVÁ, přeložil Jan KOTEK, přeložil Václav SLOVÁK, přeložil Jarmila ŠPIRKOVÁ, přeložil Miroslav VLČEK. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2014. ISBN 978-80-7080-872-6.