Nazeleno.cz – úspory energie, izolace, zdravý životní styl, biopotraviny, ekologie [logo]

DOPORUČUJEME:

Ceny Energie

Najdeme nejlevnějšího dodavatele!

Lithium: Nejdůležitější součást elektromobilů?

Dojezd elektromobilů se sice prodlužuje, ale stále není uspokojivý. Hledá se proto vhodný akumulátor, který by byl schopen uložit dostatek elektrické energii a zajistit tak několikanásobně delší dojezd elektromobilů. Naděje jsou vkládány především do lithia.

17. 10. 2011 | Karel Murtinger

Ve zkratce:

Základní problém elektromobilu je v poměru uložené energie a hmotnosti akumulátoru (pro tento vztah se používá název specifická energie). Jaké jsou možnosti řešení tohoto problému?

Již nějakou dobu se hovoří o ropném zlomu a hledají se alternativy benzínu. Elektřina je jednou z nich. Pokud jde o využívání elektrické energie pro pohon automobilů, tak to vypadá, že největší naději na využívání v praxi má lithiový akumulátor

„Li/O2 akumulátory by mohly zvýšit dojezd elektromobilů na 750 km.“

Před časem jsem psal o různých možnostech ukládání (akumulace) elektrické energie a probíral tam celou řadu možností. Existuje totiž celá řada různých akumulátorů a nabízí se tedy otázka, proč je zrovna lithiový akumulátor ideální řešení a jaké další možnosti (alespoň teoreticky) ještě máme.

Technologie na Nazeleno

Skladování elektrické energie

Palivové články a akumulátory

Vodíkový pohon: Alternativa ropy?

Akumulace elektřiny: Možnosti

Elektromobily a problém akumulátoru

Základní problém elektromobilu je v poměru uložené energie a hmotnosti akumulátoru (pro tento vztah se používá název specifická energie). Hodnoty specifické energie pro různé energetické zdroje ukazuje následující tabulka.

Hustota uložené energie v různých materiálech

Materiál (technologie)
druh energie
energetická hustota [MJ/kg]
obvyklé praktické využití
Uran, Plutonium
Nuclear
20000
elektrárny
stlačený vodík
Chemical
143
palivové články
benzín
Chemical
47,2
automobilové motory
nafta
Chemical
45,4
automobilové motory
Chemical
46
automobilové motory
baterie Lithium-vzduch
Electrochemical
9
přenosná zařízení s malým odběrem
Lithium-ion
Electrochemical
0,72
notebooky, telefony
Nickel-metal hydride
Electrochemical
0,288
spotřební elektronika
Superkondenzátor
Electrical
0,1
vyrovnávání zatížení, rekuperace
olověný akumulátor
Electrochemical
0,1
startovací baterie

Jde o to, že potřebujeme uložit relativně velké množství energie při relativně malé hmotnosti a malém objemu; nejlepší by bylo, kdyby akumulátor byl ještě lehčí a menší než běžná palivová nádrž.

Jak zvýšit specifickou energii baterií?

Proč jsou specifické energie baterií tak nízké a jaké máme možnosti, jak je zvýšit?  Pro pohon motoru našeho elektromobilu potřebujeme elektrický proud, tj. proud elektronů, který v součinnosti s magnetickým polem vytváří potřebný točivý moment.

Aby se auto pohybovalo, musíme tedy cívkami motoru stále „protlačovat“ elektrony. Samotné elektrony mají velmi malou hmotnost, k přenesení 15 kWh elektrické energie při napětí 3,2 V (průměrné napětí lithiového článku) stačí pouhých 9 mg elektronů!

Problém je ale v tom, že 9 mg elektronů nemůžeme nacpat do nějaké krabičky, stejné náboje se navzájem odpuzují a neexistuje na světě síla, která by je udržela pohromadě. Poblíž záporně nabitého elektronu vždy musí být nějaký kladný náboj stejné velikosti.

V kovu, z něhož se dělá anoda akumulátoru (zdroj elektronů), jsou volně se pohybující elektrony, jejichž náboj je vyvažován kladnými náboji na atomech kovu. Atomy kovu se ale skládají z protonů a neutronů, které jsou zhruba 2 000 x těžší než elektrony.

Vhodný akumulátor může pomoci při rozvoji elektromobility
Vhodný akumulátor může pomoci při rozvoji elektromobility. Zdroj: Thinkstockphotos.com

Nahlédnutím do periodické soustavy prvků zjistíme, že atom lithia (Li) se skládá ze 3 protonů a 4 neutronů a je tedy 14 000 x těžší než samotný elektron. V případě atomu olova (Pb) je to výrazně horší, jeho hmotnost je ještě 30 x větší než hmotnost atomu Li (uvolní ale do obvodu 2 elektrony, takže vlastně na 1 elektron připadá jen 15 x větší hmotnost).

Je zřejmé, že na každý využitelný elektron, který anoda pošle do motoru, připadá ohromné množství hmoty. Musíme se tedy při hledání vhodných kovů pro akumulátory na pohon elektromobilů soustředit na lehké kovy na začátku periodické soustavy, jako je Li, Na, Mg a Al.

Na výslednou akumulovanou energii má kromě proudu vliv i napětí. To je tím větší, čím elektropozitivnější (reaktivnější) kov na anodu použijeme (viz Redox potenciály prvků). V tomto ohledu je Li, první prvek v této řadě, nejvýhodnější.

Lithium, fluor, síra a kyslík

Akumulátor má pochopitelně ještě druhou elektrodu (katodu), kam se elektrony prošlé cívkou motoru vracejí. Aktivní hmotu pro tuto elektrodu bychom měli vybírat na druhém konci řady. Ideální by byl například fluór. Takový Lithium-fluórový akumulátor by měl napětí přes 5 V a nejmenší možnou hmotnost.

Fluor je ale tak nesmírně reaktivní prvek, že je téměř nemožné jej použít (bylo by asi velmi obtížně najít elektrolyt, který by s ním byl kompatibilní). Vhodnější možností je využít pro zachycení elektronů na katodě vzdušný kyslík; ten sice neposkytne tak vysoké napětí, ale zato nám automobil nijak nezatíží, nemusíme ho totiž vozit sebou, ve vzduchu je ho dost.

Udává se, že článek s lithiovou anodou a vzduchovou katodou má teoretickou specifickou energii přes 11 kWh/kg, což je už srovnatelné s výhřevností automobilového benzinu (12,2 kWh/kg).

Schéma Li/O2 článku s tuhým elektrolytem a nanoporézní uhlíkovou katodou skrz kterou dovnitř difunduje atmosférický kyslík
Schéma Li/O2 článku s tuhým elektrolytem a nanoporézní uhlíkovou katodou skrz kterou dovnitř difunduje atmosférický kyslík.  V ní je také zabudován katalyzátor usnadňující tvorbu a štěpení  Li-O vazeb. Zdroj: Wikipedie

Další, už podstatně horší možností je pak síra, která se dnes již používá ve stacionárních Na/S bateriích. Zajímavou možností je i baterie Mg/O2, kde by hořčík měl podobu mechanicky vyměnitelných desek, tj. nebyl by to akumulátor ale primární článek, kde by se po vybití celá anoda i s elektrolytem (chlorid sodný) vyměnila a hořčík by se recykloval centrálně pomocí vhodného redukčního činidla.

Nicméně je třeba si uvědomit, že kromě aktivních prvků musí být v akumulátoru ještě mnoho pomocných struktur (elektrody, elektrolyt, nádoba apod.) a výsledná specifická energie je tedy vždy podstatně menší než ta teoretická.

Hledá se ideální akumulátor

Z výše uvedeného vyplývá, že ideální akumulátor by měl mít Li anodu a vzduchovou katodu. Zatím ještě nejsou takovéto baterie prakticky využitelné, nicméně se na tom pilně pracuje (např. firma Excellatron).

Otázkou je, jak dlouho ještě bude trvat, než vývoj dospěje k prakticky využitelným výrobkům. Nízká hmotnost, respektive vysoká specifická energie, není jediným požadavkem; pro automobil je velmi důležitá například i velikost proudu, který může baterie dodávat. V tomto ohledu jsou na tom vzduchové baterie zatím dost špatně.

Ideální akumulátor se stále ještě hledá 
Ideální akumulátor se stále ještě hledá. Zdroj: Thinkstockphotos.com

Michael Feldman z HPCwire říká, že Li/O2 akumulátory jsou něco jako „Svatý grál“ v oboru baterií. Mohly by totiž zvýšit dojezd elektromobilů z dnešních 70 až 150 km na nějakých 750 km, což je už plně srovnatelné s benzínovým nebo naftovým automobilem. Podle Feldmana to ovšem může trvat 10 nebo také 20 let, než se dočkáme prakticky využitelných výsledků.

Super baterie pro elektromobily

Když jsme v úvahách o ideálním akumulátoru došli až sem, tak se nabízí i otázka, zda lze navrhnout baterii s ještě vyšší specifickou energií než má Li/O2.  Jakýkoli jiný kov použitý na anodu bude mít výrazně nižší specifickou energii (viz následující tabulka).

baterie kov-vzduch
Teoretická specifická energie (bez O2) [kWh/kg]
Li/O2
11,14
Na/O2
2,26
Ca/O2
4,18
Mg/O2
6,46
Zn/O2
1,35

Vyšší hodnoty specifické energie by měly palivové články využívající běžná uhlovodíková paliva, ještě vyšší pak ty využívající vodík. Problémy s nimi spojené byly probrány v minulém díle

Zachrání nás jaderná energie?

Tím jsou ale možnosti zdrojů založených na využití chemické, respektive elektrochemické energie vyčerpány, nic řádově výkonnějšího se už realizovat nedá. Pro výrazně vyšší specifické energie už musíme sáhnout po zdrojích založených na jaderné energii.

Pěkným příkladem využití jaderné energie v dopravě jsou ponorky s atomovým pohonem. Přestože mění jadernou energii na elektrickou poměrně málo účinným způsobem přes teplo, tak mají naprosto neuvěřitelný akční rádius. Teoreticky by možná šlo udělat tak malý plutoniový reaktor, že by se mohl použít pro pohon například nákladních automobilů. V padesátých letech minulého století se v USA pokoušeli udělat letadlo poháněné jaderným reaktorem, což se ale ukázalo jako prakticky neproveditelné především kvůli stínění posádky před radioaktivním zářením.

Asi nejmenší prakticky používané jaderné zdroje elektrické energie jsou termoelektrické články s plutoniovým zdrojem tepla používané na kosmických sondách vysílaných k Jupiteru a dále, kde už není dostatečná intenzita slunečního záření pro fotovoltaické panely.

Peletka z oxidu plutonia-238  určená pro radioisotopový thermoelectrický generátor, která produkuje výkon 62W což ji dokáže rozžhavit do červeného žáru když není dostatečně ochlazována
Peletka z oxidu plutonia-238  určená pro radioisotopový thermoelectrický generátor, která produkuje výkon 62W což ji dokáže rozžhavit do červeného žáru když není dostatečně ochlazována. Zdroj: Wikipedia

Plutonium-238, lze získat z vyhořelého paliva jaderných reaktorů nebo lépe ozařováním Neptunia 237 neutrony z jaderného reaktoru. Poločas rozpadu má přibližně 88 let a 1 kg poskytuje tepelný tok zhruba 570 W. Pro zajímavost, je to dost velká hodnota pro to, aby se nedostatečně chlazená peletka z oxidu plutonia rozžhavila do červeného žáru a takto žhnula po dobu desítek let (za 88 let klesne výkon na polovinu a teprve za nějakých 1 000 let přestane znatelně hřát).

Velkou výhodou plutonia je, že jde o alfa zářič a jeho záření se tedy dá relativně snadno odstínit; 20 až 50 kg plutonia by tedy ve spojení se Stirlingovým motorem dokázalo pohánět auto po celý lidský život. Zařízení tohoto typu s výkonem 100 až 120 W se momentálně testuje v NASA a počítá se s ním pro program Discovery.

Bohužel plutonium je jedním z nejnebezpečnějších a zdraví nejškodlivějších materiálů a je to téměř ideální zbraň pro teroristy. Ralph Nader kdysi řekl, že libra plutonia může zabít 8 miliard lidí. To je sice značně nadsazené, nicméně opravdu jde o látku mimořádně nebezpečnou. Pokládám proto za téměř vyloučené, že by se někdy takovéto zařízení mohlo používat na Zemi.

Vše tedy nasvědčuje tomu, že lithiové akumulátory budou v blízké budoucnosti jediným vhodným zdrojem elektrického proudu pro elektromobily.

V příštím díle se podíváme na tom, jaké lithiové akumulátory už jsou na trhu a co s nimi elektromobily dokážou.

Související články

Tagy: Technologie, Hybridy a elektromobily,

Nazeleno.cz - vše o úsporách energií