Metal-air (Kov-vzduchová) baterie

Jakým směrem se budou ubírat baterie? Světu se zalíbila milovaná i nenáviděná Lithium-ion baterie. Na jedné straně průlom v Lithium-ion technologii a v jejich rozvoji vlastností a konstrukcí pomohly k vzniku novým technologiím a zdokonalení stávájících produktů. Na druhé straně, lithium-iontové omezení je důvodem, proč má většina elektromobilů (EV) dojezd 40-60 mil, proč například Tesla Model S stojí více než 80 tis. dolarů a proč smartphone nemůže vydržet celý týden na jedno nabití. Pro všechny své vynikající schopnosti má své konstrukční a technologické omezení, což představovalo důvod pro hledání dalšího technologického řešení. Výsledkem je elektrochemický článek s technologií Metal-air (Kov-vzduch). Ten může být velice atraktivní pro další rozvoj elektromobilů (EV). Další perspektivní uplatnění může být v přenosových a distribučních sítích jako stacionární úložiště nebo regulátor.

Princip činnosti u Metal-air baterie

Metal-air baterie používají elektropozitivní kovy jako jsou zinek, hliník, hořčík i lithium, které společně s kyslíkem získávaným ze vzduchu slouží k výrobě elektrické energie. Výrobní proces požaduje běžně dostupné kovy, které nalezneme ve většině technických aplikací a produktech, a proto se počítá s relativně nízkými náklady. Tato baterie má obrovskou konstrukční výhodu, a tou je potřeba pouze jedné elektrody v rámci článku. Ostatní typy baterií potřebují pro svou činnost elektrody dvě. Díky zmíněné vlastnosti mají metal-air baterie vysoký potenciál ke zvýšení důležitého parametru každé baterie – energetické hustoty.

Metal-air baterie spotřebovávají k vytvoření elektrického proudu kyslík z okolního vzduchu. Ten slouží jako kladná elektroda. Dále baterie obsahuje elektrolyt a negativní elektrodu zinku a vrstvu s kanálky pro přívod vzduchu. Vzduchová elektroda je rozpuštěna pomocí katalyzátorů, které produkují hydroxylové ionty v kapalném elektrolytu. Kladná elektroda zinku potom oxiduje a uvolňuje elektrony za vzniku elektrického proudu. Po nabití baterie se proces obrací a na kladné elektrodě probíhá redukce při zpětném uvolňování kyslíku do vzduchu. Na rozdíl od lithium-ion baterií, neobsahují metal-air baterie potenciálně toxické nebo výbušné plyny ani toxicky nebezpečné složky pro životní prostředí. Baterie se navíc mohou pyšnit až 100% recyklovatelností.

Vzduchová elektroda je velmi sofistikovaná technologie, která vyžaduje trojcestný katalyzátor mezi plynným kyslíkem, kapalným elektrolytem a pevným sběračem proudu (kolektor).

Výzvou pro výzkumné pracovníky bylo dále vyřešení problému, jak zabránit přístupu oxidu uhličitému (CO2) do elektrolytu a následně ke kladné elektrodě, kde může zapříčinit vytváření zinkových dentridů, které mají za následek zkrácení životnosti. Navzdory mnoha výhod, metal-air baterie představují i ​​několik historických nevýhod. Baterie jsou citlivé na změny podmínek okolního vzduchu, a to především na vlhkost a na obsah nečistot.

„Rechargeability“ Metal-air baterie vyžaduje podrobnější vysvětlení. Metal-air baterie jsou primární buňky, což znamená, že nelze dobíjet pomocí běžných prostředků. Vzhledem k tomu, že se hliníková anoda spotřebovává při styku s kyslíkem, vzniká při provozu baterie vedlejší produkt – hydratované hliníkové formy. Materiál lze recyklovat a použít k vytvoření nové hliníkové anody, což je důvod, proč jsou baterie označovány jako dobíjecí. Kovová elektroda se bude muset měnit pravidelně a není prozatím známo, jak často bude tento druh servisu vyžadován. Tato technologie je tedy poměrně obtížná a nákladná, nicméně je mnohem stabilnější a méně nebezpečná, než ostatní bateriové technologie.

Jak si Metal-air baterie stojí mezi konkurenty?

Metal-air baterie mají až třikrát větší hustotu energie než Lithium-ion. Což znamená, že se jedná o nejvíce konkurenceschopnou technologii na trhu. Při pohledu na graf níže, je nutné si uvědomit, že osy jsou exponenciální. Z grafu tedy vyplývá, že technologii palivových článků má přibližně 10krát větší hustotu energie než typické Co-Li-ion články.

Jak je již uvedené výše, elektrické nabíjení je v případě popisované technologie obtížné a neefektivní. Účinnost při tomto způsobu nabíjení se pohybuje pouze kolem 50 %. Někteří vývojáři se pokusili překonat toto omezení mechanicky akumulátorovými systémy, ve kterých je kovová anoda po vybití nahrazena čerstvou kovovou anodou a systém pokračuje v činnosti.

Ekonomické zhodnocení a budoucnost

Tato technologie baterií je stále v rané fázi výzkumu. Do budoucna se předpokládá široká možnost využití, a to jak pro stacionární systémy a ukládání energie pro přenosové a distribuční služby, tak pro dopravní aplikace. I přes značné technické překážky v minulosti, je předpokládán velký potenciál technologie, a to především kvůli nízkým investičním nákladům.

Nová technologie baterií metal-air by se mohla dle předběžných odhadů v širší míře prosadit v příštích 2 až 5 letech. V praxi byly tyto baterie použity prozatím v řadě vojenských aplikacích. Znamená to, že potenciál využití baterií bezesporu existuje. Díky těmto aplikacím jsou navíc získávány cenné zkušenosti z reálného provozu baterie.

Do budoucna bude třeba dále se zabývat recyklací hydratovaného oxidu hlinitého, který při používání akumulátoru vzniká. Konečná cena je prozatím neznámá. Předchozí odhady na náklady spojené s metal-air systémem byly zhruba 1,1 dolarů za kilogram hliníkové anody. Testovací vzorky teprve ukáží, zda výrobci automobilů budou ve větší míře na tuto technologii přecházet. Automobilky mají tendenci být spíš konzervativní. Například Tesla se již vydala za dalším použitím lithium-iontové technologie. Co se týče využití v oblasti přenosu a distribuce elektrické energie, tam kov-vzduchové akumulátory ještě pár let vývoje čeká.

Zdroj úvodní fotografie: www.phinergy.com