Životnost baterie pro elektromobily od kolébky po hrob – a proč je recyklace stále tak obtížná? Velké baterie se u elektromobilů rychle stávají standardem. Životní cyklus jedné z nich je však stále spletitý a nepřehledný proces.
Přechod na dopravu poháněnou bateriemi probíhá rychle. Kdybyste před deseti lety předpověděli, že každá automobilka bude mít ambiciózní plán na vývoj plně elektrické řady vozů, asi byste teď byli pěkně bohatí. Ale deset let je dlouhá doba a dokonalá bouře faktorů – ekologických, politických, ekonomických a společenských – se spojila, aby přinesla nejtransformačnější okamžik v automobilovém průmyslu od doby, kdy před více než sto lety začal z montážní linky Henryho Forda sjíždět model T. Naštěstí se to podařilo. O elektromobilech se mluví již dlouho. Nyní je to v plném varu.
Čekají nás nulové emise?
Jako v každém okamžiku velkých změn a převratů však není nouze o chaos, který je třeba vyřešit. Elektromobily jsou významnější než kdy jindy, jejich masové přijetí se zdá být za rohem a příslib nulových emisí ve výfukových plynech je prezentován jako zlatá příležitost pro lidstvo.
To všechno je do jisté míry pravda, ale stejně tak i skutečnost, že to, zda elektromobily ukousnou dostatečně velké sousto ze změny klimatu, bude záviset na jediné věci. Na bateriích. Přesněji řečeno, jak tuto kritickou součást navrhneme, vyrobíme, spravujeme a recyklujeme. To jsou procesy, které jsou mnohem méně transparentní (a mnohem důležitější) než jakákoli okázalá oznámení o výrobních partnerstvích nebo plánech na uvedení 25 nových elektromobilů do roku 2030.
Stejně jako fosilní paliva jsou i klíčové složky dnešních baterií omezenými zdroji. Je zřejmé, že vývoj způsobů, jak využít vše, co lze ze starých baterií znovu použít pro výrobu nových, bude v nadcházejících letech rozhodující. Ačkoli to vyžaduje takovou úroveň mezioborové standardizace, jakou jsme v této oblasti ještě neviděli. Zároveň ne všichni odborníci věří, že to vůbec půjde. Proto se dnes podíváme na životnost baterie pro elektromobily od kolébky až po hrob v roce 2022. Od získávání materiálu přes výrobu až po recyklaci (nebo její absenci) na konci životnosti. Co současný stav znamená pro to, co přijde dál.
Čím plníme baterie?
Pro možné napájení jednoho nebo více elektromotorů, které pohánějí kola elektromobilu, musí být k dispozici – hádáte správně – elektřina. Elektřinu lze vyrábět různými způsoby. Spalováním fosilních paliv, získáváním kinetické energie nebo z obnovitelných zdrojů, jako je slunce nebo vítr. Technicky vzato máme na stole i jadernou energii.
Důvodem, proč jsme se rozhodli pro velké baterie, je samozřejmě to, že potřebujeme způsob, jak hustě ukládat energii. Princip elektromobilu poháněného bateriemi není daleko od principu spalovacího vozidla s nádrží na pohonné hmoty. Vždyť benzín máme jako vlastně jen další médium pro ukládání a přepravu energie. Jen místo uvolňování této energie prostřednictvím řízených výbuchů pod kapotou baterie přeměňuje uloženou chemickou energii přímo na energii elektrickou.
Elektromobily nejsou žádnou novinkou. První experimentální elektromobily postavili již ve 30. letech 19. století (ano, opravdu) a poháněly je jednorázové baterie.
První elektromobil
V roce 1890 vyvinul skotský chemik žijící v Iowě William Morrison první elektromobil, přestavěný koňský povoz poháněný dobíjecími bateriemi. To byla technologie, která se objevila v polovině 19. století. Historici se neshodují na chemickém složení baterií použitých v Morrisonově vozidle. Někteří se domnívají, že šlo o olověné baterie, které jen několik desetiletí předtím vynalezl francouzský fyzik Gaston Planté. Bez ohledu na to umožňovaly baterie Morrisonovu vozu ujet přibližně 80 km s dobou dobíjení 10 hodin. V době, kdy většina amerických domácností ještě neměla elektřinu, to nebylo zrovna ideální.
Na počátku 20. století nastala krátká zlatá éra předválečných elektromobilů. Koneckonců elektřina byla čistá, zářivá a nová ve srovnání se špinavým byznysem spalování uhlí a ropy. Dokonce i konkurenční vozidla poháněná párou měla svou chvíli. Existuje celá řada nepěkných důvodů, proč se spalovací motor do 20. let 20. století stále jevil jako nejperspektivnější technologie pohonu vozidel, ale po praktické stránce bylo na prvním místě to, že jde o energeticky vydatnou látku, kterou lze relativně rychle a snadno dostat do lidských aut.
Pokračování aut na baterie
V roce 1996, v reakci na kalifornskou legislativu, která požadovala, aby každá automobilka nabízela vůz s nulovými emisemi, společnost General Motors ohromila svět. Vyrobila první moderní elektromobil připravený k sériové výrobě od automobilového veterána po téměř sto letech: GM EV1. Model EV1 zpočátku vyráběli s těžkými olověnými akumulátory, ačkoli GM vybavil druhou generaci EV1 modernějšími nikl-metalhydridovými (NiMH) bateriemi. Model EV1 se stal jedním z nejkontroverznějších automobilů všech dob. Předpisy, které podnítily jeho vývoj, byly koncem 90. let uvolněny ve prospěch hybridů, ale zároveň se ukázal jako zlomový bod pro elektromobily. Toyota, Ford a další automobilky se také vrhly na elektromobily Rav4 a Ranger.
Momentum pro elektromobily se budovalo, i když pomalu. Pak přišla Tesla.
Tesla
Mnoho lidí zná Elona Muska jako osobu stojící za společností Tesla, ale skutečnou tváří, která stála za technickými inovacemi společnosti, byl její bývalý technický ředitel JB Straubel. V roce 2008 uvedla Tesla s pomocí Muskovy investice na trh první generaci vozu Tesla Roadster s novou lithium-iontovou baterií.
Tým inženýrů pod vedením Saraubela se rozhodl vytvořit balíčky s mnoha tisíci malých buněk namísto několika velkých buněk. Tím tým získal přibližně sedmkrát větší plochu pro odvádění tepla, což velmi pomohlo, protože inženýři také navrhli způsob, jak chladit balíčky kapalinou, a ne pouze procházejícím vzduchem. Výsledkem této inovace je vůz s dojezdem 350 km podle certifikace EPA. Více než dvojnásobek dojezdu vozu EV1 vybaveného NiMH a téměř pětkrát více než u vozů poháněných původními olověnými akumulátory. Stručně řečeno, zrodila se moderní baterie pro elektromobily.
Uvnitř baterie
Většina současných elektrických vozidel používá k ukládání energie lithium-iontové baterie. I když se chemické složení baterie může u jednotlivých výrobců lišit, základní stavební kameny jsou relativně stejné: anoda, katoda a elektrolyt. Pro naše dnešní účely není tak důležité pochopit, proč se tato věda skrývá. Důležité je, že elektřina se z bateriového článku vybíjí při cestě iontů lithia elektrolytem od anody ke katodě (a opačně při nabíjení).
Jak zjistil Straubel, baterie pro elektromobily fungují nejlépe s mnoha malými články zabalenými do použitelného tvaru. Ať už jde o válcové články, jako má většina vozů Tesla (s výjimkou modelů vybavených LFP), nebo o hranolové články, jako jsou ty v Hummeru EV nebo Hyundai Ioniq 5. Všechny tyto články vyžadují značné množství lithia. Někteří odborníci odhadují, že na jedno vozidlo připadá přibližně osm kilogramů lithia. Pro srovnání, průměrný iPhone má údajně uvnitř méně než jeden gram lithia.
Odkud se to všechno bere? Většina světové produkce lithia pochází z Číny, Austrálie, Chile a Argentiny. Lithium se získává buď povrchovou těžbou, nebo extrakcí z bohaté solanky pomocí činidla (např. uhličitanu sodného) a následným sušením, až vznikne uhličitan lithný.
Vysušený uhličitan lithný se pak posílá do zpracovatelských závodů, kde se z něj vyrábí katodově aktivní materiál. Během tohoto procesu je aktivní materiál rovnoměrně promíchán do suspenze obsahující vodivý uhlík a polymerní pojivo, díky čemuž je vhodný k použití během vlastního výrobního procesu bateriového článku.
Další materiály uvnitř baterie
Při výrobě katod se používají i další materiály, jako je kobalt nebo nikl. Je třeba zdůraznit, že toto je jeden z největších sporných bodů v procesu výroby baterií. Protože těžba kobaltu je velkým humanitárním problémem, který je podporován vykořisťovatelskými podmínkami a dětskou prací. Většina společností se zavázala k etickému získávání materiálů pro výrobu baterií nebo od kobaltu jako celku z důvodu obav o udržitelnost ustoupila. Jde o to, že ve světových dodavatelských řetězcích neplave mnoho kobaltu z etických zdrojů.
Dále musíte články sestavit. Zatímco základní principy fungování baterie jsou stejné, tvarový faktor používaný výrobci automobilů se může lišit. Například u válcových článků jsou součásti navinuty a uzavřeny v kovovém článku, zatímco u sáčkových článků jsou součásti navrstveny nebo „vloženy“ dovnitř.
Články se pak umístí do patentovaného obalu výrobce automobilů. Zejména tento krok se může lišit v závislosti na výrobci. Většina společností vyrábí tyto jednotlivé moduly, které lze před instalací do vozidla modulárně sestavit do balíčků.
„Nemyslím si, že na tom, do jaké krabice to vložíte, tolik záleží,“ řekl ředitel strategie elektrifikace GM Tim Grewe v rozhovoru pro deník The Drive. „Hodně lidí dělá z krabice pro uložení elektrod velkou vědu, já si myslím, že to souvisí s vlastnostmi elektrod a s tím, jak rovnoměrně můžete elektrody zpracovat.“
Grewe pokračoval: „A ať už elektrodu umístíte do plechovky, nebo do sáčku. Víte, sáček má skutečně některé velmi zřetelné nákladové výhody. V průmyslu bude koexistovat všechno. Hodně to souvisí s vašimi vozidly a vaším portfoliem a také s tím, jak je do vozidla integrujete.“
Odtud je baterie plácnuta pod elektromobil (samozřejmě další velké zjednodušení), kde konečně může vyjet z podlahy showroomu a zaparkovat na vaší příjezdové cestě.
Redukovat, opakovaně použít, recyklovat
Poté, co baterie doslouží – její délka závisí do značné míry na počtu nabíjecích cyklů, podmínkách prostředí a každodenním používání – musí projít procesem likvidace.
To nás přivádí k jednomu z nejčastějších bodů, na který poukazují skeptici elektrických vozidel. Znečištění. Není žádným tajemstvím, že výroba baterií je pro životní prostředí naprostou katastrofou. Odhaduje se, že vozidlo s dojezdem 400 km produkuje o 68 % více emisí při výrobě ve srovnání s výrobou vozidla s benzinovým motorem. Ačkoli tento údaj nezohledňuje emise z výfuků, které vznikají během životnosti spalovacího vozidla, rozhodně vypovídá o dopadu výroby BEV.
A co se stane po skončení životnosti balení? Skončí všechny ty články někde na skládce? Ne tak docela. Průmysl se stále snaží přijít na to, jak nejlépe recyklovat staré baterie, aby se snížil dopad na životní prostředí a nedošlo k úplnému vyčerpání lithia, ale tento proces není zdaleka ideální.
Recyklace
Zřejmou odpovědí je systematická recyklace. Odborníci se domnívají, že do roku 2030 bude k recyklaci zralých přibližně 1,6 milionu tun baterií, přičemž materiály získané z použitých, vyřazených nebo jinak šrotových baterií lze použít při výrobě nových kusů. Místo toho, abychom staré články vyhazovali a sahali zpět do země pro další minerály, můžeme tyto cenné zdroje vytěžit z již vyrobených, stejně jako recyklátoři vytěží zlato a stříbro a platinu ze staré elektroniky. Auta používají olověné baterie odjakživa a máme docela dobrý systém jejich recyklace, ať už vám Google tvrdí cokoli. Proč by totéž nemohlo platit pro tyto větší lithium-iontové akumulátory?
Jak již Grewe zmínil dříve, výrobce bude balit baterie různě podle svých přesných obchodních potřeb, což je první překážka ve standardizaci procesu pro všechny. Například demontáž baterie s pouzdrovými články oproti baterii s válcovými články je zcela odlišný proces. Grewe také řekl, že automobilový průmysl chce umožnit recyklačnímu průmyslu paralelní inovace. Ale je toho možné dosáhnout, pokud bateriové články nejsou jednotné nebo snadno recyklovatelné od jedné automobilky ke druhé? Bez ohledu na formu recyklace musí být baterie stále rozebrány, aby mohly být recyklovány. A potřeba opětovného použití může vést k rozhodování o výrobcích. Už jen kvůli recyklaci má dnes mnoho 12voltových autobaterií velmi podobnou podobu.
Bez ohledu na to lze po rozebrání baterie elektromobilu její vnitřní součásti rozdrtit a roztřídit, čímž vznikne poněkud hrozivě znějící shluk materiálů známý jako „černá hmota“. Uvnitř černé hmoty se nachází množství cenných materiálů, které již byly vytěženy ze země: uhlík, grafit, kobalt, nikl, mangan a lithium, abychom jmenovali alespoň některé z nich. Najdete zde však také plasty, ocel, hliník a další obsahy, které musíte odstranit. Černá hmota tedy musí projít dalšími kroky k získání smysluplných materiálů, obvykle buď pyrometalurgií („pyro“), nebo hydrometalurgií („hydro“).
Pyro
Při pyrotechnické regeneraci se k regeneraci materiálů tavením používá extrémní teplota (přibližně 1 500 stupňů Celsia). Skvěle se při ní získává kobalt, měď a nikl. Spaluje také grafit a veškerá rozpouštědla, což však přispívá k poměrně vysoké produkci emisí tohoto procesu. Nevyhovuje mu ani získávání lithia, protože velká část z něj se během procesu mění na strusku (vedlejší odpad), jejíž zpětná přeměna na použitelný materiál není finančně rentabilní.
Hydro
Hydrorekuperace je další možností, ke které se mnoho recyklačních firem přiklání. Hydrometalurgie namísto tavení využívá k extrakci cenných materiálů z černé hmoty vodní roztoky. To znamená mnohem menší plýtvání energií, protože se výrazně snižuje potřeba ohřevu. Stejně jako pyrotechnika nabízí skvělé využití kobaltu, mědi a niklu, ale poskytuje také možnost efektivní recyklace lithia, grafitu a manganu. V současném stavu má samozřejmě i nevýhody, z nichž největší dvě jsou značné množství vedlejších odpadních produktů a vysoké počáteční náklady.
Divokou kartou je, že baterie zatím vydrží déle a překonávají to, co většina analytiků a výrobců v této fázi očekávala. Potenciálně dobrá zpráva pro vaši peněženku, ale špatná zpráva pro recyklační inovace.
„Baterie vydrží příliš dlouho,“ řekl Grewe. „Bude to jedna z těch frustrujících dobrých zpráv, kdy neexistuje velký recyklační trh, protože baterie vydrží déle, než kdokoli očekával.“
Životnost baterií
Dlouhá životnost baterií by však mohla vést i k novému pohledu na nákup automobilů pro další generaci řidičů. Straubel ze společnosti Tesla, který založil podnik na recyklaci baterií s názvem Redwood Materials, se domnívá, že je méně pravděpodobné, že majitelé elektromobilů budou vyměňovat stárnoucí baterie oproti výměně celého vozidla.
„Mluvíme o subjektivní záležitosti v závislosti na cíli s autem. Myslím, že ve většině případů mluvíme klidně o 15 let vlastnictví,“ řekl Straubel na energetické konferenci na začátku tohoto roku. „Myslím, že životnost baterií bude pravděpodobně kopírovat životnost vozidla. Osobně si myslím, že je méně pravděpodobné, že lidé budou do starého auta dávat novou baterii.“
To, co Straubel popisuje, tak trochu kopíruje chování, které má mnoho majitelů vozidel s ICE nyní. Když průměrnému majiteli vozu praskne motor, je pro něj často nákladově neúnosné vyměnit motor vozu, takže vozidlo často pošle do šrotu nebo ho vymění (v podstatě za náklady na likvidaci) za nové vozidlo. Vzhledem k tomu, že náklady na výměnu nového akumulátoru se blíží polovině nákladů na nové vozidlo, je pravděpodobné, že většina majitelů, kteří nejsou pod vodou se svými úvěry, bude pravděpodobně opakovat toto chování, podobně jako Straubelovy předpovědi. Rovněž to není dobrá zpráva pro udržení recyklace blízko vrcholu seznamu priorit průmyslu.
Nabíjení baterií
Elektromobily na baterie se objeví na parkovišti prodejce ve vašem okolí, pokud tam ještě nejsou. Tato technologie stojí z hlediska masového rozšíření stále v plenkách. Způsob, jakým dnes přemýšlíme o výrobě a údržbě baterií, pravděpodobně nebude odpovídat tomu, jak o nich budeme přemýšlet v roce 2032. Hardware a software mohou mít problémy, baterie mohou degradovat jinak, než se předpokládalo, a nabíjecí síti bude trvat, než se vyrovná.
Ale asi největší neznámou je, jak rychle se technologie změní. Automobilky jako Honda a Toyota již nyní intenzivně investují do vývoje polovodičových baterií, které by mohly nabídnout podstatně kratší dobu nabíjení oproti dnešním lithium-iontovým článkům. Převezmou tyto baterie okamžitě, jakmile budou komerčně životaschopné?
Podle Greweho z GM ne tak docela. „Lithium-iontové a polovodičové baterie musí při transformaci existovat vedle sebe, protože zatím není jasný vítěz,“ řekl. „Myslím, že to bude velmi zdravá konkurence, kdy uvidíte, že v odvětví koexistují z různých důvodů. A pak se to v dlouhodobém horizontu sblíží na nejlevnější a nejlepší technologii.“
Co je o bateriích jisté?
Že výrobci automobilů se nacházejí pod určitým tlakem, aby vyráběli kvalitní komponenty, pokud jde o baterie. Kalifornský úřad pro ochranu ovzduší (CARB) – stejný orgán, jehož požadavek na nulové emise přivedl před 25 lety na svět GM EV1 – již vypracoval návrh limitů pro degradaci baterií.
Ty by měly být v případě přijetí zavedeny do roku 2026. Pokud by byly požadavky zveřejněny dnes v navržené podobě, vozidla by si musela udržet 80 % původního jmenovitého dojezdu po dobu nejméně 15 let nebo 250 000 km. V současné době Hyundai slibuje na baterii modelu Ioniq 5 desetiletou záruku na 150 000 km. Tesla má podobnou záruku s 8 lety pro všechny své vozy a rozsahem ujetých kilometrů 150 000 až 250 000 km v závislosti na modelu. Také Hummer EV má záruku na baterii 150 000 km, ačkoli Grewe již dříve uvedl, že očekává životnost zadní části v rozmezí 250 000 až 350 000 km.
Nikdo neříkal, že rozchod s benzinem bude snadný. Ale návrat k bateriím bude představovat vlastní řadu problémů a komplikací, které by bylo dobré pochopit a vyřešit dříve než později, abychom neskončili opět ve stejně problematickém vztahu.
Zdroje: The Drive, Vapol
