Tomáš Kazda: v Česku máme skvělé podmínky pro výrobu baterií

Ing. Tomáš Kazda, Ph.D., (*1986) absolvoval Fakultu elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno, obor elektrotechnologie. V Ústavu elektrotechnologie, elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno se zabývá výzkumem li-ion akumulátorů a nových bateriových systémů.
Ing. Tomáš Kazda, Ph.D., (*1986) absolvoval Fakultu elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno, obor elektrotechnologie. V Ústavu elektrotechnologie, elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Brno se zabývá výzkumem li-ion akumulátorů a nových bateriových systémů. foto: VUT Brno

Tomáš Kazda patří mezi přední české vědce zaměřující se na nové bateriové technologie. Pomáhal vyvíjet li-sirné bateriové články a v současné době působí jako docent na VUT Brno. Jak vidí budoucnost výroby baterií v Česku a v Evropě? Kam podle něj budou směřovat další inovace v oblasti baterií? 

Před lety jste si patentoval technologii pro výrobu li-sirné baterie s delší životností. Zájem měla norská firma, která plánovala vybudovat testovací provoz v rámci své baterkárny. Jak to se samotnou baterií i tímto projektem v současné době vypadá?

Tomáš Kazda (T.K.): Na výzkumu Li-S akumulátorů stále pracujeme jak v rámci naší laboratoře a projektů, tak v rámci spolupráce s dalšími subjekty. Například začátkem roku jsme spolupracovali s jedním berlínským start-upem a pomáhali s ověřením procesů přípravy nových materiálů pro Li-S akumulátory. Co se využití patentu týká, tak firma Morrow batteries, která plánuje patent využít, by měla do konce roku 2022 spustit své VaV centrum a do konce roku 2024 spustit výrobu Li-ion akumulátorů s cílem využívání kladných elektrod bez obsahu kobaltu. Cílová velikost produkce Li-ion akumulátorů by měla být 42 GWh. Samotná pilotní linka na Li-S akumulátory by měla být spuštěna v roce 2026. Primárně se tedy chtějí soustředit na komerční produkci Li-ion akumulátorů, po kterých je teď díky rozvoji elektromobily velká poptávka a následně na nové pokročilé technologie akumulátorů.

Které další prvky kromě síry jsou dnes s ohledem na vývoj nových bateriových technologií podle vás nejslibnější? Zpráv se objeví každý měsíc mnoho, ale reálně zatím ve výrobě převládají léty osvědčená složení li-ion baterií, nebo se mýlím?

T.K.: Je to tak, že i Li-ion akumulátory se v průběhu času vyvíjí a přechází se na nové materiály kladné elektrody s rozličným složením a stejně tak se vyvíjí i materiály na záporné elektrodě a elektrolyty, u nichž se používají kupříkladu nové soli a aditiva. Upravuje se také technologie samotné výroby akumulátorů, proto se postupem času zvýšila gravimetrická hustota energie Li-ion akumulátorů z 80 Wh/g na současných asi 270 Wh/kg u nejlepších komerčně dostupných článků. Postupem času tak můžeme vidět, že se přechází na materiály s menším množstvím kobaltu či se v záporných elektrodách v menším množství používá křemík. Samozřejmě jsou i další technologie, které jsou pro budoucí vývoj Li-ion akumulátorů zajímavé jako další generace materiálů pro kladnou elektrodu s vyšší energetickou hustotou. Pokud se budeme bavit o zcela jiné chemii, tak se v rámci vědy a výzkumu pracuje na Na-ion, Mg-ion, či Ca-ion akumulátorech nebo na celé skupině Metal-Air akumulátorů. Zde může být jako kov použito kupříkladu lithium, zinek, hliník atd. Z těchto technologií jsou nejblíže aplikaci akumulátory Na-ion, které chce do komerční aplikace prosadit kupříkladu francouzský start-up Tiamat Energy, který v malém měřítku vyrábí Na-ion akumulátory bez obsahu kobaltu a niklu a podařilo se mu získat další investice na nastartovaní komerční produkce, jejíž zahájení je plánováno na rok 2025. Další podstatně větším hráčem na tomto poli je pak CATL, který oznámil začátek produkce Na-ion akumulátorů na rok 2023. Tyto akumulátory nebudou dosahovat hustot energie jako akumulátory Li-ion, ale měly by být o něco levnější, zvládat větší zatížení a být více udržitelné, díky tomu, že sodík je jedním z nejčastěji se vyskytujících prvků v zemské kůře. Kromě výše zmiňovaných systémů existují i další typy akumulátorů vhodné především pro stacionární aplikace, například vysokoteplotní akumulátory Na-S pracující při teplotách nad 300°C, nebo Vanadové redoxní akumulátory nabízející dlouhou životnost, které vyvíjí například český start-up Pinflow energy storage.

Aktuálně jsem například zaznamenal zprávu o „bis-imino-acenaphthenequinone-paraphenylene (BP) kopolymeru“, který by měl významně zlepšit schopnost li-ion baterií udržet si nabití. Víte o tom něco, případně mohl byste toto okomentovat? 

T.K.: Předpokládám, že odkazujete na článek v časopise Applied Energy Materials. Toto je pouze jeden z mnoha střípků, které by mohly pomoci ke zlepšení vlastností Li-ion akumulátorů i dalších systémů, jelikož některé technologie jsou přenositelné i do jiných typů akumulátorů. Tento článek se zabýval využitím nového polymeru jako pojiva pro anodu Li-ion akumulátorů, přičemž toto pojivo omezuje rozklad elektrolytu na rozhraní elektroda/ elektrolyt a vytváří stabilní a tenkou SEI vrstvu (protektivní vrstva na povrchu elektrody), díky čemuž je elektroda při dlouhodobém užívání více stabilní a má menší odpor. Toto je dobrý článek, ale jak jsem zmiňoval, jedná se pouze o jeden ze střípků celé skládačky. V textu je tento materiál testován klasicky v laboratorním měřítku, tedy malém mincovém článku, jako půl článek, tedy testovaná záporná elektroda proti referenčnímu lithiu a je otázkou, jaké by byly výsledky, kdyby došlo k testování v plném článku, tedy klasická kladná elektroda proti testované záporné. Akumulátory jsou komplexní systémy a dost často se stává, že použití jednoho prvku může zlepšit funkci jedné části, ale zhoršit funkci druhé části a výsledné parametry celého akumulátoru budou nakonec horší. Stejně tak elektrody v laboratorním měřítku většinou používají menší množství materiálu na elektrodě než je používáno v komerčních aplikacích.V tomto případě bylo množství materiálu 3-8 menší, a se zvětšující se velikostí elektrody je většinou těžší udržet její vlastnosti. Tímto chci podtrhnout některé rozdíly mezi základním výzkumem a finální aplikací. Než se jakákoliv technologie (byť jen drobná) jako je třeba jiný typ pojiva, což se laikovy může zdát jako banální náhrada jednoho pojiva za druhé, realizuje v praxi, musí být důkladně ověřena na mnoha různých stupních a to určitou dobu trvá. Všeobecně se uvádí, že v případě Li-ion akumulátorů je čas od objevu materiálu k jeho aplikaci přibližně 11 let.

Je podle vás už dnes jasné, že baterie se stanou „tou“ technologií 21. století, nebo minimálně jeho první poloviny, podobně jako ropa a spalovací motory byly zásadní technologií století minulého? Případně proč ano/ne?

Myslím, že ano. Poprvé jsem slyšel, že lithium je ropa 21. století na mezinárodní konferenci v roce 2013 a od té doby je tento výrok čím dál více pravdivý. S rozvojem čisté mobility a přechodem energetiky na obnovitelné zdroje energie se stávají technologie skladování energie stále stěžejnější pro to, aby se daly tyto změny realizovat.

Evropa se po velkém náskoku Asie a zejména Číny začala konečně s ohledem na výrobu baterií „vzpamatovávat“ a rozjíždí se tu celá řada slibných projektů. Jak aktuální situaci v Evropě vnímáte?

Z mého pohledu je situace výrazně lepší než před několika lety. Výrazně se o podporu rozvoje výroby Li-ion akumulátorů zasadil pan eurokomisař Ševčovič, díky čemuž se v Evropě v následujících letech budou vytvářet výrobní kapacity, které nejsou zcela závislé na dodavatelích z Asie. Evropa byla silná v rámci produkce olověných akumulátorů či akumulátorů Ni-Cd, avšak technologie Li-ion akumulátorů tu zůstávala takřka bez povšimnutí (myšleno z pohledu průmyslové aplikace), byť v rámci Evropy byla celá řada výborných výzkumníků, kteří se Li-ion akumulátorům věnovali. Je to nejspíše dáno tím, že tyto akumulátory byly ze začátku používány v přenosných aplikacích, jako jsou kamery, fotoaparáty či mobilní telefony a tyto produkty se nejčastěji vyráběly v Japonsku či v Koreji a v rámci Evropy byla pouze jediná větší firma působící v této oblasti, a to Nokia. Pro další rozvoj automobilového průmyslu v Evropě je zajištění výrobních kapacit akumulátorů zcela stěžejní a to nejen výroby, ale i vývoje technologií materiálů, které se v akumulátorech využívají tak, aby se předešlo situaci, jako nastala v současné době v případě čipů.

Mluví se také o možnosti, že v ČR vznikne minimálně jedna baterkárna, a to od Volkswagenu (který si ale aktuálně vzal čas na rozmyšlenou). Není už ale pro český autoprůmysl přeci jen docela pozdě?

T.K.: Ideální by bylo, kdyby k této věci došlo dříve, bohužel se nám spousta projektů vyhnula a byla realizována v Maďarsku či v Polsku. Bohužel tu v posledních letech nebyla dostatečná politická podpora pro tyto typy projektů, což se v poslední době trochu změnilo. Přitom v rámci ČR máme skvělé podmínky pro vytvoření velké části řetězce navázaného na produkci Li-ion akumulátorů. Jsou zde zdroje materiálů, jako je lithium, mangan či v určitém množství i kobalt. Na těžbu těchto materiálů by tak mohla být navázána výroba elektrodových materiálů pro Li-ion akumulátory a následně výroba samotných akumulátorů, které by posléze využil automobilový průmysl. Nejde však jen o automobilový průmysl tak jak si jej většina lidí vybaví, tedy osobní doprava, ale o celou mobilitu, tedy i o dopravu nákladní, městskou či vlaky s akumulací, lodní dopravu a v budoucnu možná i leteckou dopravu, a jak jsem již zmiňoval, Li-ion akumulátory se používají také v úložištích energie, které budou budovány jak ve velkém měřítku pro velkou energetiku, tak v malém pro domácnosti. Z této výroby by tak mohli profitovat i další české firmy věnující se všem dalším zmíněným oblastem. Poslední částí řetězce by pak měly být kapacity pro recyklaci akumulátorů a takto získané materiály by měly opět končit jako součást výroby nových akumulátorů. Nedávno jsem někde četl, že v Polsku v posledních dvou letech vzniklo více než 60 firem navázaných na výrobu akumulátorů a to jen díky tomu, že zde továrnu vytvořila firma LG. To je obrovské množství pracovních příležitostí a současně obrovské množství financí, které tyto firmy odvedou do rozpočtu státu. V roce 2020 tak představoval export Li-ion akumulátorů z Polska asi 2% celého polského exportu. Stále si tak myslím, že by bylo vhodné, aby takový typ průmyslu v ČR vznikl. Samozřejmě podmínkou by mělo být, aby v rámci ČR vzniklo i napojení na výzkum a vývoj a byly vytvářeny nové technologie, které v dalších generacích akumulátorů a v celém navazujícím řetězci budou používány a mohlo se naplnit to, aby se česká ekonomika transformovala a nebyla jen montovnou.

Jak se jako profesionální vědec díváte na současné baterie a výzkumné aktivity v tomto směru společnosti Tesla?

T.K.: Tesla byla z pohledu akumulátorů od počátku zaštiťována společností Panasonic, ale má i svůj vlastní vývoj, který vede prof. Dahn, jež je jedním z nejvýznamnějších vědců v oblasti Li-ion akumulátorů, který se jejich vývoji věnuje od 80. let 20. století a stál u prvních pokusů tyto akumulátory aplikovat v praxi. Tesla se snaží být nezávislá na dodavatelích, a proto se věnuje vlastnímu výzkumu a to nejen v oblasti materiálů a výroby Li-ion akumulátorů, ale také v oblasti těžby nebo recyklace. Obdobně ostatně postupuje i švédský Northvolt, který nedávno oznámil plán stavby druhé továrny opět v Polsku. Tesla loni představila nový typ takzvaně tabless článku 4860, který je stejně jako většinou v případě proklamací šéfa společnosti pana Muska opožděn ve výrobě. Předpokládám, že je to dáno složitostí výroby článku s tabless designem. Společnost dále směřuje k využívání materiálů pro kladnou elektrodu s co nejmenším množstvím kobaltu, využití křemíku na záporné elektrodě, což jsou trendy, kterými jsou i další výrobci. Další technologií ve vývoji je pak suchá příprava elektrod, která předpokládám ještě nějakou dobu v komerční praxi nebude nasazena.

Čemu se dnes ve své každodenní práci věnujete?

T.K.: Naše pracovní skupina na VUT Brno v současnosti pracuje na materiálech pro Li-ion, Na-ion a Li-S akumulátorech a na testování elektrolytů, dále se věnujeme výzkumu přímé recyklace materiálů pro Li-ion akumulátory. Jeden z mých doktorandů ve spolupráci se Škodou auto řeší degradaci Li-ion akumulátorů za různých podmínek a také predikci jejich degradace a možnosti využití v second-life aplikacích v rámci projektu s firmou ČEZ. Další z doktorandů pak ve spolupráci s firmou Thermo Fisher Scientific pracuje na nových metodách analýz materiálů pro Li-ion akumulátory pomocí elektronové mikroskopie. Poslední více než rok pracuji také na jednom projektu, který by měl v rámci ČR zlepšit spolupráci mezi průmyslem a VaV, ale k tomu zatím nemohu dávat více informací.

Souhlasíte s tím, že baterie změní svět minimálně osobní dopravy? Případně které další obory podle vás díky novým nebo i už současným bateriovým technologiím projdou během následujících deseti let zásadní proměnou?

T.K.: Myslím si, že jej již částečně změnily, stačí se podívat na oblast elektrokol, což je také součást osobní dopravy. Před pár lety elektrokola takřka neexistovala a v současnosti jsou čím dál tím více rozšířena a prakticky pro kohokoliv již zcela běžná. Co se týče osobní dopravy, je přechod na elektromobilitu již daný. Samotné automobilky deklarují, že v následujících letech chtějí přejít na elektromobilitu a s výjimkou několika asijských výrobců by se mělo jednat o čistě bateriovou mobilitu. Další aplikací pak je samozřejmě městská hromadná doprava, u které všude možně po světě můžeme již dnes vidět, že v centru měst jezdí elektrické autobusy. V dalších letech a desetiletích se dočkáme elektrifikace nákladní dopravy, lodní dopravy či letectví. Samozřejmě některé aplikace v současnosti nejsme schopni pohánět pomocí akumulátorů, ale v budoucnu by k tomu mohlo s jejich rozvojem dojít. Také závisí na dalším rozvoji vodíkových technologií, které mohou některé aplikace pohánět a současně přispět k transformaci energetiky.

Děkujeme za rozhovor.

Dva komentáře u “Tomáš Kazda: v Česku máme skvělé podmínky pro výrobu baterií”

Napsat komentář