Pri nerastných surovinách sme sa dlhodobo spoliehali na Čínu. Môžeme na to doplatiť, hovorí odborník na batérie do elektromobilov

V rozhovore sa dočítate aj:

• či stále platí, aby sme batérie nevybíjali na doraz, takže by vydržali dlhšie;
• prečo ešte lítiové batérie nenahradili sodíkové;
• ako sa Európa snaží pri výrobe batérií osamostatniť od Číny;
• či sa AA a AAA baterky zjednotia;
• ako sa batérií správne zbavovať.

Tento článok si môžete prečítať vďaka ESET Science Award – oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. 

Batérie vníma väčšina ľudí len cez informáciu, ako dlho im vydrží telefón alebo počítač. Tie urobia rádovo neporovnateľne viac operácií ako elektronika v minulosti, no vydržia dlhšie. Vieme uchovávať viac energie alebo ju míňať hospodárnejšie?

Oboje prispieva k tomu, že batéria aj zariadenie, ktoré poháňa, vydržia dlhšie. Keby sme si náš obyčajný notebook porovnali s prvým počítačom, ktorý zaberal niekoľko miestností a dokázal na dnešné pomery pomerne málo, videli by sme v spotrebe elektrickej energie obrovské rozdiely.

Koľko energie budeme ešte vedieť „natlačiť“ do batérií, ktoré dnes bežne používame?

Môžeme si to ilustrovať na dojazde elektrického auta. Dnešné bežne používané elektrické autá majú dojazd 300 kilometrov. Tie lepšie, ktoré majú kvalitnejšiu batériu, majú dojazd povedzme nad 500 kilometrov a objavujú sa už aj elektrické autá, kde sa hovorí o dojazde až do 1 000 kilometrov. Na tom je vidieť, že kapacita sa násobne zvýšila a zjavne pôjde s výskumom a vývojom technológie ešte ďalej.

Zatiaľ nepoznáme hranicu, za ktorú nás veda nepustí?

Ťažko povedať. Videl som už aj dojazd auta 3 000 kilometrov, ale zatiaľ iba teoreticky na základe batérie, ktorá nie je skonštruovaná. Je možné, že jedného dňa sa to podarí, ale zatiaľ je pre nás reálny asi ten tisíckilometrový limit.

Ako na batérie vplývajú vonkajšie podmienky, napríklad horúčavy a mráz?

Dosť. Keď ide teplota pod nulu, kapacita batérie klesá, všetky deje sú pomalšie a auto bude okrem pohonu určite potrebovať aj vyhrievanie. Keď okolitá teplota stúpne nad 30 stupňov Celzia, tak batérii to až tak nevadí, ale my potrebujeme, aby bolo auto chladené. V noci zase potrebujeme, aby auto svietilo. Toto všetko zabezpečuje batéria, čo výrazne ovplyvňuje dojazd auta.

Proti elektromobilite sa často argumentuje tým, že výroba batérií má horšiu ekologickú stopu ako spaľovacie motory, keďže je v nej aj veľa vzácnych prvkov, ktoré treba vyťažiť zo zeme. Čo si o tom myslíte?

Je pravda, že porovnanie batérií a spaľovacieho motora je pomerne diskutabilné. Treba si však uvedomiť, že spaľovací motor sa tu vyvíjal sto rokov a batérie pre elektrické vozidlá sú otázkou ostatných rokov. Určite nás čaká ešte veľa technologických vylepšení. Som presvedčený, že elektrické auto bude za pár rokov konkurencieschopné a bude spĺňať potrebné ekologické podmienky.

Kedysi sa hovorilo, že batériu v mobile treba najprv úplne vybiť, aby sa aktivovala celá jej kapacita, no potom ju nevybíjať úplne, aby sa opotrebovala pomalšie. Stále to platí a funguje to tak aj pri elektromobiloch?

Toto platí pre batérie, ktoré sa používali najmä v minulosti. Pre lítiové batérie to už neplatí. Lítiová batéria má výhodu, že nemusíte veľmi dbať na jej minulosť. Je pravda, že pre ne nie je ideálne, keď sa vybijú úplne a ani keď sa nabijú na 100 percent. Ideálne pre všetky batérie je, keď sa ich kapacita mení od 20 do 80 percent. Potom vydržia dlho, až do nejakých tisíc nabití.

Odkedy používame lítiové batérie, ktoré sú momentálne najbežnejšie?

Lítiové batérie zažili veľký vývoj v 70. až 80. rokoch a prvýkrát ich komerčne využila firma SONY v roku 1991. V roku 2019 priniesla veda okolo lítium-iónových batérií Nobelovu cenu až trom vedcom. Lítiové batérie zažívajú teraz veľký boom a predpokladá sa, že ešte minimálne 10 rokov budú najpoužívanejšie.

Aké batérie ich nahradia?

Je niekoľko typov iných batérií, na ktorých sa pracuje do budúcna, ale ani vedecká scéna sa momentálne nezhoduje na tom, čo lítium-iónové batérie nahradí. Jedna zo snáh je postupne nahradiť lítiové batérie sodíkovými. Sodík je omnoho prístupnejší a menej zaťažuje životné prostredie. Energetická kapacita takýchto batérií je však stále relatívne malá. Preto sa podľa mňa najprv presadia najmä mimo elektromobility. Keby sme dnes nahradili lítiové batérie sodíkovými, tak je dojazd elektrického auta niekoľkonásobne menší.

Najviac lítia sa ťaží v Číne, Čile a Austrálii – problém pri dodávkach tak môže byť diaľka alebo režim. Veľké rezervy lítia sú aj na Ukrajine v okolí Donbasu a Mariupola. Tlačí nás geopolitika k tomu, aby sme lítium vymenili za iný prvok?

Určite áno, aj keď donedávna sa lítium nepovažovalo za kritický materiál, pretože je ho v zemskej kôre pomerne dosť. Problémom je aj to, že okrem ťažby z roztokov v Čile je jeho získavanie technologicky náročné.

Máme nejaké ložiská lítia v Európe?

Lítium sa ťaží v Španielsku, a hovorí sa aj o pomerne veľkých ložiskách vo Fínsku a v Čechách. Európska únia by teda mohla byť do určitej miery sebestačná. Ale rolu hrá aj ekonomika, keďže v Čile je ťažba oveľa lacnejšia. Dlhodobo sme sa pri ťažbe nerastných surovín spoliehali na Čínu. No ako sa ukazuje, nie je dobré spoliehať sa úplne na nejaký iný štát s akoukoľvek strategickou surovinou, pretože sa na to môže doplatiť.

Ako ovplyvnila dodávky lítia a batérií koronakríza, ktorá Čínu značne ochromila?

To bolo prvé vážne varovanie, že v našom globalizovanom svete nie všetko pôjde tak pekne, ako si naplánujeme. Ešte pred pár rokmi bola Čína nielen majoritným producentom lítia alebo nerastných surovín, ale aj samotných batérií. Zašlo to až tak ďaleko, že rozvoj elektromobility v Európe bol a ešte stále do veľkej miery je závislý od dodávok batérií z Číny.

Prečítajte si

Vzácne kovy do elektroniky sa míňajú. Pohrabte sa na skládkach, odkazujú výrobcom chemici

V roku 2021 čínske spoločnosti vyrábali až 79 percent svetových batérií. Dokážeme vo výskume a výrobe konkurovať čínskym vývojárom, ktorí majú za sebou desaťročia výskumu?

Nebude to jednoduché. Trochu nám ušli a náskok je potrebné aspoň zredukovať, čo bude stáť veľa úsilia a finančných investícií. Čína investovala do vývoja technológie batérií veľa a zjavne sa jej to vyplatilo, pretože je ich dominantným dodávateľom. Viackrát som počul, ako sa výrobcovia elektromobilov sťažujú, že vedia na trh dodať len toľko elektromobilov, koľko batérií príde z Číny. Tento prístup sa teraz prehodnocuje a začína sa uvažovať o aspoň čiastočnej ťažbe nerastných surovín aj o výrobe batérií v Európe. V Poľsku sa už na batérie rozbieha veľká fabrika. Plánujú sa aj v severských krajinách, Nemecku a je dosť možné, že aj u nás.

Približne 500-kilová batéria do elektromobilu obsahuje okrem lítia aj iné vzácne prvky, ktoré sa nazývajú aj „novou ropou“. Ktorý z nich sa minie ako prvý?

Myslím si, že v prvom rade bude obrovská snaha vyvinúť batériu, ktorá nebude obsahovať kobalt. To je prvok, ktorý sa dá odbúrať, a vývoj sa už týmto smerom uberá, keďže kobalt je pomerne vzácny a jeho ťažba zaťažuje životné prostredie. Momentálne sa najviac ťaží v Číne a Kongu. Zásoby kobaltu máme prekvapivo aj na Slovensku v Rudohorí. Otázne je, či sa dajú v tejto forme efektívne a ekonomicky využiť.

Dôležitou súčasťou batérií sú aj nikel, mangán či grafit, ktorý je pomerne vzácny, ale už sa pracuje na tom, aby sa dal nahradiť kremíkom. Lítium a sodík sú prvky, ktoré energiu pri nabíjaní a vybíjaní uskladňujú, takže ich zameniť nevieme.

Vedeli by sme niečo z týchto prvkov nahradiť surovinou vyrobenou v laboratóriu?

Nemyslím si. Ale mohli by sme ich nahradiť recyklovanými prvkami z batérií, ktoré sú za zenitom a už nevedia dodávať požadovanú hustotu energie. Na možnostiach čo najefektívnejšej recyklácie sa intenzívne robí, pretože je to udržateľnejšia cesta ako neustále ťažiť nové prvky.

Akú časť batérie z elektromobilu vieme dnes použiť znova?

Nepoznám presné čísla, ale sú firmy, ktoré ich už vedia recyklovať dvoma hlavnými spôsobmi. Pyrometalurgický spôsob funguje tak, že sa staré batérie roztavia. Vznikne tavenina, z ktorej získať vzácne kovy naspäť je jednoduchšie, akoby ste ich museli ťažiť z prírody. Pri hydrometalurgii sa rozpúšťajú staré batérie v silných kyselinách. Zo vzniknutých roztokov sa dá opäť pomerne ľahko dostať, čo potrebujete.

V recyklácii by nám mohli pomôcť aj huby a baktérie. Ako to funguje?

To sú také Popolušky recyklácie, ktoré sú zatiaľ iba vo výskumnom štádiu. Na akadémii sa do takýchto vecí veľmi radi púšťame, pretože konkurovať firmám, ktoré už majú rozbehnutý výskum pyro- a hydrometalurgie, by bolo náročné až zbytočné. Biolúhovanie je založené na tom, že existujú baktérie a huby, čo sú schopné extrahovať prvky, ktoré potrebujeme. O hubách je známe, že vedia z pôdy vytiahnuť ťažké kovy. No a keď sa tieto organizmy naučia vyťažiť kovy, ktoré potrebujeme, máme pekné a elegantné riešenie recyklácie.

Bohužiaľ, účinnosť zatiaľ nie je dostatočná na to, aby sa to dalo používať v priemysle. Ale aj v spolupráci s kolegami z Ústavu molekulárnej biológie a z Prírodovedeckej fakulty UK v Bratislave chceme zistiť, ako to rozbehnúť.

V čom sú výhody húb oproti metódam, ktoré sa dnes používajú bežne?

Pyrometalurgia je energeticky veľmi náročná, čiže do nej treba investovať energiu, ktorú nezískate zadarmo. Hydrometalurgia zase používa veľmi silné kyseliny, ktoré majú zlý vplyv na životné prostredie. Biolúhovanie mohlo byť zaujímavou zelenšou alternatívou.

Čo majú huby a baktérie z toho, že nám recyklujú batérie?

Čiastočne to potrebujú pre život. My to chceme využiť a zariadiť, aby sa na tento druh potravy orientovali viac. Existuje aj predstava, že sa pretvorí ich DNA, aby mali vyššiu výťažnosť.

Aké ďalšie oblasti batérií ešte v Centre pre využitie pokročilých materiálov SAV skúmate?

Zameriavame sa na výskum lítiových batérií v štyroch oblastiach. Máme projekt na výskum a vývoj elektród pre lítiové batérie na základe kremíka a grafitu. Snažíme sa tiež zlepšiť výkonnosť a efektivitu batérií pokrývaním elektród tenkými vrstvami oxidov, napríklad tenkými vrstvami oxidu hliníka.

Tretí smer je nahradenie kvapalného elektrolytu v batériách tuhým. Ten kvapalný je síce vynikajúcim vodičom, ale zároveň nie je úplne bezpečný, pretože ľahko vzplanie. V štvrtej oblasti zisťujeme, čo sa v batérii deje, zatiaľ čo sa vybíja a nabíja. Vďaka tomu ich môžeme ďalej vylepšovať.

Zatiaľ sme bavili najmä o obrovských batériách v elektromobiloch, ale batérie sú aj tie, ktoré používame napríklad do ovládača na televízor. Prečo sa ešte stále používajú aj jednorazové namiesto toho, aby sme používali dobíjacie?

Pre taký ovládač na televízor išla elektrická spotreba výrazne dole a potrebujete ich meniť možno raz za dva roky. Takže neviem, či sa tam oplatí dávať tie nabíjateľné, ktoré sú drahšie. Ale čoraz viac si všímam, že napríklad jednorazových svietidiel sa používa menej a trh si žiada dobíjateľné, aj keď sú o niečo drahšie.

Nesmeruje trh aj k tomu, že budú batérie viac zjednotené? Minimálne tie AA a AAA?

Určite to smeruje k tomu, že sa budú používať jednotné batérie, ale chvíľku to potrvá. Dobrým príkladom je, že EÚ sa roky snaží zjednotiť jednoduchú koncovku nabíjačky na mobil a stále sa jej to nedarí.

Ako sa správne batérií zbavovať?

Použité batérie treba odovzdať v predajniach s elektronikou, ale možnosti vrátiť batérie či žiarovky sú aj v iných predajniach. Aj keď sú malé, obsahujú mnoho vzácnych prvkov, takže ich treba odovzdávať na recykláciu. Ale do akej miery sa to naozaj robí, vám neviem povedať.