Autor: Daniel Oberhau
V dubnu loňského roku Elon Musk slíbil, že Tesla brzy během svého života, bude moci pohánět své elektromobily s dojezdem více než milion kilometrů. V té době se tvrzení zdalo být nereálné. To by bylo více než dvojnásobek ujetých kilometrů jenž majitelé aut Tesla mohou očekávat, že dostanou, proti stávajícím bateriím v současnosti, i když tyto jsou již větší než je provozní dosah většiny ostatních baterií EV. Prostě se to dalo být neskutečné – až na to, že se to nyní zdá být reálné. Nový dokument naznačuje, že jeho slib nebyl přehnaný.
Začátkem tohoto měsíce zveřejnila skupina výzkumníků baterií na Dalhousie University, která má exkluzivní smlouvu s Teslou, v The Journal of Electrochemical Society dokument, popisující lithium-iontovou baterii, která „by měla být schopna pohánět elektrické vozidlo pro více než 1 milion mil, zatímco během své životnosti ztratí méně než 10 procent své energetické kapacity.
Skupina Dalhousie vedená fyzikem Jeffem Dahnem, jedním z předních lithium-iontových vědců na světě, ukázala, že její baterie výrazně překonává všechny dříve popsané lithium-iontové baterie. Zjistili, že jejich baterie by mohla být užitečná zejména pro tzv. robotaxis a dálkové elektrické vozíky, vyvíjí se dva výrobky Tesla.
Zajímavé však je, že autoři nepředstavují výsledky jako průlom. Spíše to představují jako měřítko pro ostatní výzkumníky baterií. A nepropadají specifikům.
„Byly poskytnuty veškeré podrobnosti o těchto bateriích včetně složení elektrod, zatížení elektrod, složení elektrolytů, použitých aditiv atd.,“ Napsal Dahn a jeho kolegové v příspěvku. „Bylo to provedeno, aby ostatní mohli tyto baterie znovu vytvořit a použít je jako měřítko pro své vlastní úsilí v oblasti výzkumu a vývoje.“
V průmyslu EV je chemické složení baterií přísně střeženým tajemstvím. Proč by tedy Dahnova výzkumná skupina, která v roce 2016 podepsala exkluzivní partnerství s Teslou, rozdala recept na tak zdánlivě jedinečnou baterii? Podle bývalého člena Dahnova týmu je pravděpodobné, že Tesla již má alespoň jednu patentovanou, která překonává to, co je popsáno v referenčním dokumentu.
Opravdu, krátce poté, co dokument vyšel, obdržela Tesla patent na lithium-iontovou baterii, která je pozoruhodně podobná té, která je popsána v tomto článku. Dahn, který odmítl komentovat tento článek, je uveden jako jeden z jejich vynálezců.
Lithium-iontové baterie popsané v tomto článku používají lithium-nikl-mangano-oxid kobaltnatý nebo NMC pro kladnou elektrodu baterie (katoda) a umělý grafit pro zápornou elektrodu (anoda). Elektrolyt, který převádí ionty lithia mezi elektrodové terminály, sestává z lithiové soli smíchané s jinými sloučeninami.
Chemikálie NMC / grafit již dlouho zvyšují hustotu energie a životnost lithium-iontových baterií. (Téměř všechny elektromobily, včetně Nissan Leaf a Chevy Bolt, používají chemii NMC ve svých bateriích, ale zejména ne Teslu. Směs elektrolytu a přísad je tím, co nakonec končí předmětem obchodního tajemství. Ale i ty materiály, jak jsou popsány v tomto článku, byly v oboru dobře známy. Jinými slovy, říká Matt Lacey, odborník na lithium-iontové baterie ve skupině Scania, který se nezúčastnil výzkumu, „v tajné omáčce není nic tajného!“
Místo toho tým společnosti Dahn dosáhl svého obrovského zvýšení výkonu prostřednictvím mnoha a mnoha optimalizací těchto známých složek a vylepšením nanostruktury katody baterie. Namísto použití mnoha menších krystalů NMC jako katody se tato baterie spoléhá na větší krystaly. Lin Ma, bývalý student PhD v Dahnově laboratoři, který byl nápomocen při vývoji katodového designu, říká, že u této „monokrystalové“ nanostruktury je menší pravděpodobnost, že se při nabíjení baterie vytvoří trhliny. Praskliny v materiálu katody způsobují snížení životnosti a výkonu baterie.
Prostřednictvím partnerství s Teslou byl tým Dahnu pověřen výrobou lithium-iontových baterií, které mohou ukládat více energie a mají delší životnost než komerčně dostupné baterie. U elektrických automobilů se tyto metriky promítají do toho, jak daleko můžete řídit své vozidlo na jedno nabití a kolik nabití můžete udělat, než přestane fungovat. Obecně lze říci, že existuje kompromis mezi hustotou energie a životností baterie – pokud chcete více, získáte méně. Dahnova skupina byla zodpovědná za zdánlivě nemožný úkol překonat tento kompromis.
Hustota energie lithium-iontové baterie je jednou z nejdůležitějších vlastností spotřebních elektrických automobilů, jako je Tesla’s Model 3. Zákazníci chtějí být schopni ujet velké vzdálenosti na jedno nabití. Novější vozy Tesly mohou ujet až 370 mil na jedno nabití, což je značně mimo dosah elektrických vozidel od jiných společností. Ve skutečnosti, na základě průměrného amerického dojíždění, Dahn odhaduje, že většina majitelů EV spotřebuje jen asi čtvrtinu nabití za den. Ale pro výrobu flotily robotaxis nebo říše dálkových elektrických nákladních vozidel bude Tesla potřebovat baterii, která zvládne cykly úplného vybití každý den.
Problém je v tom, že úplné vybíjení a dobíjení každý den klade větší důraz na baterii a rychleji degraduje její součásti. Ale pouhé udržení současné životnosti baterie Tesla – asi 300.000 až 500.000 mil – nestačí. Dálkové elektrické vozíky a robotaxy budou mít daleko větší požadavky na denní dojezdy, než průměrný uživatel a proto Musk chce baterii, která vydrží milion kilometrů.
Jak uvedl Dahn a jeho tým ve svém srovnávacím dokumentu, „člověk už nemusí dělat kompromis mezi hustotou energie a životností.“ Výsledky týmu ukazují, že jejich baterie se mohly nabíjet a vybíjet více než 4.000krát a ztratit pouze asi 10 procent jejich energetické kapacity. Pro srovnání, dokument z roku 2014 ukázal, že podobné lithium-iontové baterie ztratily polovinu své kapacity již po 1.000 cyklech.
„Čtyři tisíce cyklů jsou opravdu působivé,“ říká Greg Less, technický ředitel bateriové laboratoře Energetického institutu University of Michigan. „Dosah milionu kilometrů je snadno proveditelný s 4.000 cykly.„
Jen několik dní po zveřejnění tohoto dokumentu dostali Tesla a Dahn patent, který popisuje jednokrystalickou lithium-iontovou baterii téměř totožnou s bateriemi popsanými v tomto dokumentu. Patentovaná baterie obsahuje aditivum elektrolytů nazvané ODTO, které mohou zvýšit výkon a životnost Li-ion baterií a zároveň snížit náklady.
Není jisté, že baterií popsanou v patentu je miliónová baterie, o které Musk řekl, že vstoupí do výroby příští rok, a ani Tesla, ani Dahn o tom nemluví. Je to však důvodný předpoklad, že proprietární baterie Tesly funguje ještě lépe.
Shirley Meng, který provozuje laboratoř pro skladování a přeměnu energie v UC San Diego, říká, že mnoho společností zabývajících se elektrickým pohonem sleduje baterie s vyšším obsahem niklu, než popisuje Dahnův papír a patent. Tento přístup může zvýšit energetickou hustotu baterie. Meng říká, že dalším krokem je sloučení těchto návrhů s vyšší hustotou s nějakou vysoce výkonnou směsí elektrolytů a přísad. Zda je to vzorec, který Dahnova skupina zdokonalila, je otevřená otázka.
„Věřím, že konečným cílem Jeffova týmu je demonstrovat ultra dlouhý život v katodě s vysokým obsahem niklu, ale možná potřebují úplně jinou směs koktejlu s elektrolytem,“ říká Meng. „
Zdroj: VIRED,
Úvodní foto: Wadee Vandervort/AP,
Překlad: Administrátor.
