Tesla se chystá vyrábět vlastní bateriové články, pracuje na hybridních anodách a dalších technologiích

Elon Musk byl sice kvůli koronaviru nucen odložit chystanou prezentaci Battery Day, na které chtěl představit složení bateriových článků, architekturu modulů a výrobní plány do budoucna, avšak přípravy na výrobu vlastních baterií stále probíhají, aby vše bylo v potřebnou dobu připraveno. Nově se například na veřejnost dostala informace, že si automobilka u jihokorejské společnosti Hanwha Group zakoupila stroje pro proces, který se nazývá formování baterií. Jde o proces, při kterém dochází k vybíjení a nabíjení baterie (obvykle jde o první dva nabíjecí cykly – tzv. formovací cykly), během něhož se na anodě vytváří tuhá ochranná vrstva SEI (solid electrolyte interface). Tato vrstva blokuje přestup elektronů z elektrody do elektrolytu, což má za následek zamezení další degradace elektrolytu (podrobněji o vzniku SEI pojednává tato dizertační práce, viz kapitolu 3.1).

Pojďme si v dnešním článku připomenout, co vedlo Teslu k rozhodnutí začít s výrobou vlastních baterií a trochu zaspekulovat, o jaké články by mohlo jít. Baterie vždy byly zásadní složkou elektromobilů, ať už šlo o jejich kapacitu, cenu, výdrž či dostatečné množství. S prvními třemi body na tom Tesla byla díky spolupráci s Panasonicem vždy dobře, baterie využívané v Modelech 3, S a X patří dlouhodobě k jedněm z nejlepších v oboru. Během prvního čtvrtletí roku 2019 ovšem došlo k problémům, kdy Panasonic nezvládal vyrobit dostatečné množství článků a Tesla tak za kvartál prodala méně vozů, než by normálně zvládla. Někdy v té době automobilka také kupovala firmu Maxwell Technologies zabývající se vývojem a výrobou baterií a média začala spekulovat o tom, zda dlouholeté partnerství Tesly a Panasonicu neprochází krizí.

Bateriový článek typu 2170, který pro Teslu vyrábí Panasonic (Foto: Electrek)

Na klidu nepřidávali svými prohlášeními ani představitelé obou firem, Kazuhiro Tsuga, CEO Panasonicu, například veřejně prohlásil, že jeho firma možná nebude schopna dodávat Tesle dostatečné množství článků během roku 2020, pokud bude automobilka pokračovat v masivní expanzi. Samozřejmě nesmíme zapomenout také na skutečnost, že se Tesla rozhodla jako dodavatele článků pro Giga Shanghai vybrat LG Chem a CATL, čímž Panasonic přišel o jistou exkluzivitu. Na setkání akcionářů během června 2019 poté vedení Tesly naznačilo, že se plánuje pustit do výroby vlastních článků. Technický viceprezident Drew Baglino například prohlásil, že Tesla chce být „pánem svého vlastního osudu“. Vertikální integrace koneckonců vždy byla jednou z hlavních filozofií Tesly a problémy spojené s nedostatkem článků nejspíš ještě urychlily snahu automobilky se osamostatnit. Během minulého roku pak ještě došlo k akvizici společnosti Hibar Systems, jež se mimo jiné zabývá vývojem strojů pro výrobu bateriových článků.

Snaha Tesly vyrábět vlastní články vedla ke vzniku projektu Roadrunner, jehož úkolem je dle senior manažera Bonna Egglestona vývoj výrobních metod baterií a článků schopných umožnit „levné a výkonné elektromobily a úložiště energie“. Z hlediska ceny Tesla dlouhodobě cílí na částku 100 dolarů za kWh hotové baterie a roční výrobní kapacita má dle dřívějších prohlášení Muska být v řádu terawatthodin, což je více než 50násobek aktuálního stavu. Dle Electreku Tesla již výrobu článků v rámci projektu testovala, což pravděpodobně souvisí se zkušební výrobní linkou ve Fremontu, pro kterou automobilka během února nabírala nové zaměstnance.

Baterie v Tesle Model 3 (Foto: Motortrend)

Záhadou zatím zůstává složení článků a veškeré technické informace s tím související, jistou nápovědou každopádně může být práce profesora Jeffa Dahna. Jeho výzkumná skupina z kanadské Dalhousie University od roku 2016 úzce spolupracuje s Teslou na vylepšování a vývoji baterií a sám Dahn je považován za jednoho z průkopníků lithium-iontových baterií, který výrazně přispěl ke zvýšení jejich životnosti a kvality. Právě Dahnův výzkumný tým dlouhou dobu pracoval na vývoji bateriových článků, které by měly mít životnost přesahující milion ujetých mil (1,6 milionu kilometrů). Při testování články zvládaly tisíce nabíjecích cyklů bez výrazných ztrát maximální kapacity, a to i při vysokých teplotách, při rychlonabíjení apod., o čemž jsme podrobněji psali v článku z minulého září.

Dahnův tým také v minulosti přišel na způsob, jak omezit počet sloučenin potřebných do elektrolytu z pěti na dvě a zároveň zachovat výkon, díky čemuž došlo ke snížení nákladů na výrobu. Tuto metodu je možno použít u technologie LiNiMnCoO2 (nikl manganu kobaltu oxid lithný) ve zkratce nazývané NMC, jež sice Tesla do elektromobilů tehdy nevyužívala, v žádosti o patent ale uvedla, že tato technologie bude mít využití i pro elektromobily. Další patent podaný Teslou vycházející z předchozího výzkumu pak pro změnu počítá s přidáváním nových chemických látek do elektrolytu, přičemž katody opět mají mít složení NMC. Tesla by tak mohla u svých vlastních baterií využívat složení NMC, přičemž patenty a Dahnovy výzkumy prvně hovořily o složení NMC532 s monokrystalickou elektrodou (běžně baterie využívají polykrystalické). Tři čísla za názvem udávají poměr použití niklu, manganu a kobaltu v katodě. Oproti běžným NMC333 (někdy též značeno NMC111), kde jsou všechny tři prvky zastoupeny ve stejné míře, tak bude katoda Tesly obsahovat 50 % niklu, 30 % manganu a 20 % kobaltu. Na začátku letošního roku pak byl zveřejněn další výzkumný článek, dle kterého Dahnův tým dosáhl stejných výsledků z hlediska výdrže baterie při zvýšení energetické hustoty a využití ještě méně kobaltu. Konkrétně se jednalo o složení NMC622 a NMC811. Dle zdrojů serveru Electrek Tesla tyto články zamýšlí využívat u bateriových úložišť, jako jsou například Powerwall a Powerpack, a články by dokonce již měly být ve výrobě.

Další patent podaný v listopadu a zveřejněný začátkem května počítá s rozdílným designem článků a jmenuje se „Cell with a Tabless Electrode“. Tesla konkrétně popisuje, že se běžně využívá takzvaný jelly-roll design, u kterého zjednodušeně dochází k oddělení katody a anody separátorem a jejich následném zabalení do „ruličky“. Katoda i anoda jsou pak připojené na vodivé spoje, skrze které protéká proud do konektorů vně článku. Čím delší cestou ale elektrický proud protéká, tím vyšší je odpor, zároveň jsou vodivé spoje části navíc, které zvyšují náročnost a cenu výroby. Tesla proto přišla s designem, u kterého by minimálně jedna elektroda nemusela být připojená na vodivý spoj, přičemž podle Muska je tento patent „mnohem důležitější, než se může zdát“. Dle patentu lze tuto metodu použít u různých druhů katod, včetně zmíněného typu NMC.

Pro americkou automobilku není technologie NMC u elektromobilů úplně neznámou oblastí, Tesla tyto baterie nově používá u v Číně vyrobených Modelů 3, kde je Tesle dodává korejská společnost LG Chem. U svých ostatních vozů využívá Tesla články od firmy Panasonic, která využívá technologii LiNiCoAlO2 (oxid lithno-nikelnato-kobaltnato-hlinitý), zkráceně NCA. Dle Jamese Fritha, analytika Bloomberg New Energy Finance, Tesla využívá konkrétně typ NCA 90, který obsahuje pouze 5 % kobaltu. Díky tomu Tesla u svých baterií podle Fritha dosahuje ceny 131 dolarů za kWh energie. Výhodou NCA článků je obecně lepší energetická hustota, NMC zase jsou lepší z hlediska výdrže, přesné parametry se ale u různých výrobců liší.

Tesla se ale zřejmě od NCA baterií úplně neodvrací, jelikož v dubnu byla zveřejněna žádost o patent popisující výrobu monokrystalické katody typu NCA. Je ovšem otázka, jestli NCA katody budou hrát ve vlastních článcích Tesly nějakou roli, nebo zda jen nejde o zdokonalení stávající technologie, kterou momentálně automobilka využívá ve všech svých amerických modelech. Všechny dříve podané patenty související s NMC katodami by mohly naznačovat, že se Tesla chystá vydat právě touto cestou. Teoreticky by ale tyto baterie mohly být využívány pouze pro stacionární úložiště, zatímco do elektromobilů by automobilka chtěla dávat něco jiného. To se mi ovšem nezdá moc pravděpodobné, a to hlavně vzhledem k pokračující práci Dahnova týmu na bateriích využívajících NMC katodu.

V dubnovém vydání magazínu Joule totiž vyšel článek nazvaný „Cycling Lithium Metal on Graphite to Form Hybrid Lithium-Ion/Lithium Metal Cells“, jehož autory jsou členové Dahnova týmu. Celý text si můžete přečíst například ve vědecké databázi ScienceDirect, článek je ale za paywallem, pokusím se tedy zde stručně popsat, o čem pojednává. Hybridní baterie obecně zahrnují takové články, které nemají anodu tvořenou pouze grafitem, ale z části i jinou složkou, v tomto případě kovovým lithiem. Dahnovu týmu se přidáním kovového lithia na anodu u článku s NMC532 katodou podařilo dosáhnout navýšení energetické hustoty o 20 % v porovnání s „konvenčním Li-Ion článkem“. Nevýhodou anod s kovovým lithiem je rychlá degradace kapacity při opakovaném nabíjení a vybíjení.

Porovnání velikosti a energetické hustoty baterií (Zdroj: Electrek)

Z toho důvodu by měla hybridní baterie fungovat ve dvou „módech“, takzvaném Li-Ion módu a Li-metal módu. Ten první v případě testovaných baterií umožňoval energetickou hustotu 530 Wh/L, přibližně o 25 % méně než u běžných baterií, zatímco Li-metal mód tuto hodnotu rozšířil až na 890 Wh/L, což je dle článku naopak o 20 % více než u klasických Li-Ion baterií se stejnou katodou. Myšlenka je tedy taková, že by při běžném využívání (například při ježdění do práce či na nákup) baterie pracovala v Li-Ion módu a při potřebě využít více energie by přepnula do Li-metal módu. V článku tým uvádí, že by první mód měl u elektromobilů schopných s běžnými články najet 400 km dosahovat dojezdu 300 km, zatímco při využití kovového lithia by se toto číslo mělo dostat nad 480 km. Výzkum je momentálně v rané fázi a nejde počítat s tím, že by se tato inovace měla v blízké době objevit u elektromobilů Tesly, do budoucna ovšem může jít o důležitou technologii.

Dva módy hybridní baterie (Zdroj: Joule)

Otázkou každopádně je, jak by do celé koncepce měla zapadat technologie suchých elektrod, kterou Tesla získala akvizicí Maxwellu. Nezbývá nám tedy než počkat na oficiální informace, které bychom se měli dozvědět na tolik očekávané prezentaci Battery Day. Podle Elona Muska je předběžně plánována na třetí květnový týden.




Mohlo by se vám líbit...

Odebírat komentáře
Nastavit upozorňování na
guest
40 Komentáře
nejstarší
nejnovější nejlepší
Inline Feedbacks
Zobrazit všechny komentáře