S rostoucí poptávkou po mobilních počítačích a plně elektrických automobilech představují omezení současné technologie baterií překážku. Elektrická baterie, vynalezená v 90. letech 19. století italským fyzikem Alessandrem Voltou, se stala hnacím motorem mnoha přístrojů, zařízení a strojů.
S tím, jak se spotřebitelská zařízení zmenšují a jejich nepřetržité používání před dobitím je důležitější, roste také význam miniaturizace a energetické účinnosti baterií. To se však ukázalo jako technologická překážka, jejíž překonání bude znamenat důležitý a výnosný vývoj pro budoucí high-tech ekonomiku.
Technologie baterií
Všechny elektrické baterie jsou založeny na základní chemické reakci redukce a oxidace (redox), která může probíhat mezi dvěma různými materiály. Tyto reakce jsou umístěny v uzavřené a utěsněné nádobě. Katoda neboli kladný pól je redukován anodou neboli záporným pólem, kde dochází k oxidaci. Katoda a anoda jsou fyzicky odděleny elektrolytem, který umožňuje snadný tok elektronů z jednoho pólu na druhý. Tento tok elektronů způsobuje vznik elektrického potenciálu, který umožňuje vznik elektrického proudu po dokončení obvodu.
Spotřební baterie na jedno použití (tzv. primární baterie), jako jsou články velikosti AA a AAA vyráběné společnostmi jako Energizer (ENR), jsou založeny na technologii, která není vhodná pro moderní aplikace. Za prvé, nejsou dobíjecí. Tyto takzvané alkalické baterie využívají katodu z oxidu manganičitého a anodu ze zinku, které jsou odděleny zředěným elektrolytem z oxidu draselného. Elektrolyt oxiduje zinek v anodě, zatímco oxid manganičitý v katodě reaguje s oxidovanými ionty zinku a vytváří elektřinu. Postupně se v elektrolytu hromadí vedlejší produkty reakce a množství zinku, které zbývá k oxidaci, se zmenšuje. Nakonec se baterie vybije. Tyto baterie obvykle poskytují 1,5 V elektrické energie a mohou být uspořádány sériově, aby se toto množství zvýšilo. Například dvě baterie AA v sérii poskytují tři volty elektrické energie.
Dobíjecí baterie (známé jako sekundární baterie) fungují v podstatě stejným způsobem, využívají redukčně oxidační reakci mezi dvěma materiály, ale umožňují také zpětný tok reakce. Nejčastěji používané dobíjecí baterie na trhu jsou dnes lithium-iontové (LiOn), ačkoli při hledání funkční dobíjecí baterie byly vyzkoušeny i různé další technologie, včetně nikl-metal hydridových (NiMH) a nikl-kadmiových (NiCd).
NiCd byly první komerčně dostupné dobíjecí baterie pro masové použití, ale trpěly tím, že byly schopné pouze omezeného počtu dobití. NiMH nahradily NiCd baterie, které bylo možné nabíjet častěji. Bohužel měly velmi krátkou dobu použitelnosti, takže pokud nebyly použity brzy po výrobě, mohly být neúčinné. Baterie LiOn tyto problémy vyřešily tím, že byly dodávány v malém obalu, měly dlouhou skladovatelnost a umožňovaly mnoho nabíjení. Baterie LiOn se však ve spotřební elektronice, jako jsou mobilní zařízení a přenosné počítače, nepoužívají nejčastěji. Tyto baterie jsou mnohem dražší než jednorázové alkalické baterie a obvykle se nedodávají v tradičních velikostech AA, AAA, C, D atd.
Posledním typem dobíjecích baterií, které většina lidí zná, jsou tekuté olověné baterie, nejčastěji používané jako autobaterie. Tyto baterie mohou poskytovat velký výkon (jako při studeném startu automobilu), ale obsahují nebezpečné materiály, včetně olova a kyseliny sírové, která se používá jako elektrolyt. Tyto druhy baterií se musí likvidovat opatrně, aby nedošlo ke znečištění životního prostředí nebo fyzickému poškození osob, které s nimi manipulují.
Cílem současné technologie baterií je vytvořit baterii, která se vyrovná nebo zlepší výkon LiOn baterií, ale bez vysokých nákladů spojených s jejich výrobou. V rámci rodiny lithium-iontových baterií se úsilí zaměřilo na přidání dalších složek, které by zvýšily účinnost baterie a zároveň snížily její cenu. Například lithium-kobaltové (LiCoO2) uspořádání se nyní nachází v mnoha mobilních telefonech, noteboocích, digitálních fotoaparátech a nositelných výrobcích. Lithium-manganové (LiMn2O4) články se nejčastěji používají v elektrickém nářadí, lékařských přístrojích a elektrických pohonných jednotkách, například v elektromobilech.
V současné době existují týmy, které provádějí výzkum a vývoj s cílem zvýšit výkonnost baterií na bázi lithia. Lithium-vzduchové (Li-Air) baterie jsou zajímavou novinkou, která by mohla umožnit mnohem větší kapacitu skladování energie – až desetkrát větší kapacitu než typické LiOn baterie. Tyto baterie by doslova „dýchaly“ vzduch tím, že by využívaly volný kyslík k oxidaci anody. Ačkoli se tato technologie zdá být slibná, existuje řada technologických problémů, včetně rychlého hromadění vedlejších produktů snižujících výkon a problému „náhlé smrti“, kdy baterie přestane bez varování fungovat.
Působivý vývoj představují také lithium-metalové baterie, které slibují téměř čtyřikrát vyšší energetickou účinnost než současná technologie baterií pro elektromobily. Tento typ baterií je také mnohem levnější na výrobu, což sníží cenu výrobků, které je používají. Velkým problémem jsou však otázky bezpečnosti, protože tyto baterie se mohou přehřát, způsobit požár nebo při poškození explodovat. Mezi další nové technologie, na kterých se pracuje, patří lithium-síra a křemík-uhlík, ale tyto články jsou zatím v rané fázi výzkumu a zatím nejsou komerčně využitelné. Probíhá také několik vývojových prací v oblasti baterií poháněných sluneční energií.
Investice do bateriových technologií
Pokud se technologie baterií rozjede těmito novými zajímavými směry, sníží se tím výrobní náklady na spotřební elektroniku a na elektromobily, jako jsou například ty, které vyrábí společnost Tesla Motors (TSLA). Společnost Tesla nedávno oznámila výstavbu „gigafactory“, která bude nejen vyrábět více vozidel, ale také ve spolupráci s japonským elektronickým gigantem Panasonic (ADR:PCRFY) vyrábět vlastní baterie LiOn. Tím, že Tesla vzala problém výroby baterií do vlastních rukou, možná našla skvělý způsob, jak získat investiční expozici jak v oblasti elektromobilů, tak v oblasti bateriových technologií.
Trh bateriových technologií je poněkud krátkozraký, nové technologie, vývoj a partnerství katapultují toto odvětví kupředu. Zpráva společnosti Visiongain „Top 20 Lithium-Ion Battery Manufacturing Companies Report 2018“ poskytuje velký přehled o trhu bateriových technologií a jeho předních výrobcích. Mezi společnosti uvedené ve zprávě patří následující:
- A123 Systems Inc.
- Automotive Energy Supply Corporation (AESC)
- Aviation Industry Corporation of China (AVIC)
- BYD Company Ltd.
- A123 Systems Inc.
- CBAK Energy Technology Inc.
- Comtemporary Amperex Technology Ltd. (CATL)
- GS Yuasa Corporation
- Hefei Guoxuan High-tech Power Energy Co., Ltd
- Hitachi Chemical Co., Ltd.
- Johnson Controls International Plc.
- LG Chem
- Microvast Inc.
- Panasonic Corporation
- Saft Batteries
- Samsung SDI Co. Ltd.
- TDK Corporation/Amperes Technology Ltd (ATL)
- Tesla Inc.
- Tianjin Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd.
- Tianneng Power International Ltd
- Toshiba Corporation
Další významná jména v bateriovém průmyslu zahrnují následující:
- Arotech Corp (ARTX) vyvíjí a distribuuje lithiové a zinkovzdušné baterie a mezi své zákazníky počítá americkou armádu.
- PolyPore Inc. (PPO) vyrábí vysoce specializované lithium-polymerové baterie především pro průmyslové a lékařské použití.
- Ener1 (OTCMKTS:HEVVQ) je společnost zabývající se alternativními zdroji energie, která má většinový podíl ve společném podniku se společností Delphi Automotive (DLPH) a vytváří bateriová řešení pro elektromobily.
- Haydale Graphene Industries PLC (LON:HAYD) je britská společnost využívající nanotechnologie a materiál grafen mimo jiné k výrobě baterií na bázi grafenu.
- Applied Graphene Materials (OTCMKTS:APGMF) rovněž provádí výzkum aplikací na bázi grafenu.
- EnerSys je čistě zaměřená na baterie. V současné době je největším výrobcem průmyslových baterií na světě.
Existuje také ETF Global X Lithium & Battery Tech (LIT). tento ETF se snaží sledovat index Solactive Global Lithium a poskytuje expozici vůči diverzifikovanému portfoliu veřejně obchodovaných společností, které se zaměřují především na lithium, včetně těžby lithia, rafinace lithia a využití lithia při výrobě baterií. Mezi nejvýznamnější podíly v ETF LIT k říjnu 2018 patřily následující akcie:
- FMC CORP 18,06 %
- ALBEMARLE CORP 17 %.64%
- SAMSUNG SDI CO LTD 7,40%
- ENERSYS 6,91%
- QUIMICA Y MINERA CHIL-SP 6,62%
- LG CHEM LTD 5.41%
- GS YUASA CORP 4,95%
- PANASONIC CORP 4,60%
- TESLA INC 4,37%
- SIMPLO TECHNOLOGY CO LTD 4,24%
The Bottom Line
Baterie pro napájení byly v moderní době vždy důležité. S nástupem mobilních počítačů a elektromobilů však jejich význam bude nadále jen růst. Právě nyní například tvoří napájecí baterie více než polovinu nákladů na automobil Tesla.
Vzhledem k jejich rostoucímu významu nabírá na obrátkách výzkum novějších a lepších dobíjecích baterií. Lithium-vzduchové a lithium-kovové baterie se mohou ukázat jako pokrok, který má význam. Pokud se tyto technologie nakonec vyplatí, může investice do velkých společností zabývajících se výrobou baterií, do čistě lithium-iontových výrobců nebo nepřímá expozice prostřednictvím výrobců kovového lithia pomoci posílit budoucí výkonnost portfolia.