Baterie je nedílnou součástí hry téměř od počátku automobilismu. Nějaký ten nízkonapěťový akumulátor si s sebou vozí naprostá většina samohybů, ať už poháněných čímkoliv. A když došlo na první elektromobily, které ještě v polovině nultých let 20. století, tedy nějakých 20 let po prvním automobilu se spalovacím motorem, hrály o ovládnutí světového trhu, sáhlo se přirozeně po olověné baterii. Jenže tady bylo potřeba mnohem více wattů i ampérů, takže se prostě zapojilo několik desítek akumulátorů. Fungovalo to skvěle, ale daleko to nedojelo. Vyvstal tím základní problém elektromobilů, který se historicky podařilo vyřešit vlastně až před několika lety. Ještě v desátých letech 21. století se totiž běžně prodávaly elektromobily s reálným dojezdem kolem 100 km. Tedy víceméně podobným jako kolem roku 1900...
Celé to začalo v roce 1859, kdy francouzský fyzik Gaston Planté postavil první skutečně fungující nabíjecí baterii. Šlo o klasický olověný článek s kyselým elektrolytem, jaký se po zdokonalení dalším Francouzem Camillem Alfonsem Faurem (1881) používá bez větších změn jako levná nízkonapěťová startovací baterie dodnes. V literatuře je sice jako vynálezce uváděn Němec Wilhelm Josef Sinsteden, jenže ten v roce 1850 stvořil sice funkční, ale prakticky nepoužitelný náčinek. Tou dobou už naštěstí bylo i čím nabíjet, protože první (slabé, nicméně použitelné) stejnosměrné dynamo sestavil již v roce 1832 další Francouz Hyppolyte Pixii. Zde se sluší dodat, že elektrický motor byl vynalezen až o pět let později a prakticky stvořen až v roce 1840, tentokrát Američanem Trumanem Cookem. Následovala pak celá řada dalších vynálezů a vylepšení, z nichž stojí za zmínku první usměrňovač (1902) od geniálního Američana Petera Coopera Hewitta, autora mj. zářivky (1901), vodního křídla (1907) a spoluautora tzv. automatického letadla (1916), předchůdce pozdějších torpéd. Ten totiž umožnil angažovat mnohem výkonnější alternátory.
V invencí přetékající druhé polovině 19. století se však zrodil i další důležitý vynález, běžně používaný ještě před nějakými 20 lety. V roce 1899 vymyslel švédský vynálezce Waldemar Jungner nikl-kadmiovou baterii (Ni-Cd), která vůbec poprvé použila alkalický elektrolyt, tvořený vodným roztokem hydroxidu draselného (KOH). Do prodeje se v domácím Švédsku dostala již v roce 1910, do světa dorazila až rok po skončení druhé světové války. Přinesla výrazně vyšší energetickou hustotu proti olověným článkům (150 Wh/kg), ovšem byla podstatně dražší. Proto se dlouho uplatňovala spíše v náročných aplikacích typu leteckých baterií. Dobře snáší hluboké vybití a nabízí slušnou životnost 1 000–2 000 cyklů, avšak z dnešního pohledu jí přitěžuje paměťový efekt a rychlé samovybíjení. Navíc přinesla nové problémy s prudce jedovatým kadmiem, které vyžaduje bezpečnou likvidaci vysloužilých článků.
Současně se ve stejné hlavě zrodil i stříbro-kadmiový článek (Ag-Cd), který našel uplatnění ve specifických aplikacích, vyžadující stále vybíjecí napětí. V automobilech se ale pro svou nízkou účinnost a nákladnou konstrukci nevyskytuje. To platí i pro chemii Ag-Zn, která je ovšem považována za slibnou do budoucna. Ta se masově uplatnila v aplikacích, kde hrají rozhodující úlohu rozměry článku a jeho stabilita, méně už nákladnost. Pro pohon elektromobilů se rovněž nehodí.
Pan Jungner si stejný rok (1899) nechal patentovat i další důležitý vynález. Jako levnější alternativu k Ni-Cd vymyslel nikl-železnou baterii (Ni-Fe), pracující na stejném principu v alkalickém elektrolytu. Byla však méně účinná a při nabíjení vyvíjela spoustu vodíku, takže ji nešlo utěsnit. Proto ji Jungner odložil k ledu. Tou dobou se ovšem snažil na perspektivní trh s akumulátory proniknout i samotný Thomas Alva Edison. Jenže věděl, že stát se pouhým dalším výrobcem již osvědčených olověných článků k úspěchu nestačí. Pracoval proto, nezávisle na Jungnerovi, na vlastní verzi Ni-Fe akumulátoru s cílem získat patent. Při vývoji se nechal dílem geniálního Švéda přinejmenším inspirovat, avšak stejně jako jiní průmysloví kapitáni své doby (v první řadě antisemita a pozdější tichý Hitlerův fanoušek Henry Ford) netrpěl přehnanými skrupulemi.
V roce 1901, kdy Edison obdržel vlastní patent na jinou verzi téhož vynálezu, ještě zdaleka nebylo rozhodnuto o vítězství spalovacích motorů. Edison věřil, že když se mu podaří stvořit lehkou a odolnou trakční baterii, stane se elektromobil standardem a sám Edison zámožným mužem. Jenže jeho první Ni-Fe články zdaleka nesplnily očekávání; rychle se vybíjely, což jim zkracovalo životnost. A koneckonců ani parametry příliš nepřekonaly své starší olověné sestry. To byl zlomový okamžik, který určil, že budeme na celém světě dalších 120 let jezdit spalovacími, nikoliv elektrickými auty. Edison sice o sedm let později, tedy v roce 1908, uvedl výrazně vylepšený článek, jenže bylo pozdě. Tou dobou už výrobní linky Piquette Plant v Detroitu chrlily první tisíce levných a spolehlivých spalovacích Fordů T, které odsunuly elektromobily na dlouho do zapomnění.
Přesto Edison neostrouhal, jím vylepšená a patentovaná baterie se dočkala globálního rozšíření v kolejové dopravě a stala se dodnes používaným standardem pro startovací akumulátory lokomotiv. Uplatnění našla i jako bezpečný zdroj elektřiny pro důlní lampy. Navíc Edison zároveň získal patent na nikl-zinkový akumulátor, který byl ovšem zavržen pro malou životnost. Dočkal se vzkříšení až o desítky let později, kdy byl zkušebně nasazen jako trakční v kolejové dopravě. Ve své době byl vnímán jako náhrada olověných baterií, protože je dokázal nahradit při tříčtvrtinové úspoře hmotnosti a vykazoval skvělý nabíjecí i vybíjecí výkon. V 60. letech byl dále vyvíjen jako alternativa drahých Ag-Zn baterií pro vojenství, v další dekádě se s ním začalo počítat jako s alternativou pro elektromobily. A počítá se dodnes, protože tato chemie je levná, bezpečná, nejedovatá. EU s ním navíc počítá jako s náhradou Ni-Cd článků pro nářadí a jiné aplikace, kde jsou třeba značné vybíjecí proudy a nevadí rychlejší samovybíjení.
V roce 1970 byl zahájen vývoj velmi specifické baterie pro extrémní podmínky. Nikl-vodíkové články sice nebyly určeny pro elektromobily, avšak vedlejším produktem jejich vývoje se stal zvýšený zájem o tou dobou rovněž vyvíjenou chemii Ni-MH, proto se o nich rovněž zmiňme. Ni-H baterie, nasazené mj. na komunikačních satelitech, vesmírné stanici ISS či Hubbleově teleskopu, si nechali v roce 1971 patentovat Američané Alexandr Iljič Kloss a Boris Joselevič Center a o šest let později byly připraveny k ostrému použití. Hermeticky uzavřený článek s alkalickým elektrolytem pracuje s plynným vodíkem, jehož tlak roste s mírou nabití. Má sice zhruba třetinovou energetickou hustotu proti lithiovým bateriím a trpí rychlým samovybíjením, avšak vykazuje po neuvěřitelných 20 000 nabíjecích cyklech stále více než 85 % původní kapacity, přičemž použitelný je nadále i po dvoj či vícenásobku tohoto počtu.
Práce na principu Ni-MH byly zahájeny v roce 1967 za sponzoringu automobilkami Daimler a Volkswagen, přičemž patent zůstal první jmenované. V něm stálo, že takový článek skýtá energetickou hustotu 50 Wh/kg a životnost při 100% vybití 500 cyklů. Vývoj vzbudil zájem díky hydridové technologii, schopné absorbovat vodík v malém prostoru. Zdokonalení se ujaly laboratoře firem Philips a CNRS. Ty vyvinuly vysokoenergetické hybridní slitiny vzácných prvků, které výrazně zlepšily vlastnosti anody. Jenže trpěly nestabilitou v alkalickém elektrolytu. Další vývoj přinesl slitinu La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1, která problém vyřešila a navíc vykázala po 4 000 nabíjecích cyklech 84 % zůstatkové kapacity. Jenže lanthan neúměrně zvyšoval cenu, proto byl nahrazen levnějším mischmetalem (sloučenina céru, lanthanu, neodymu a dalších prvků, kde je lanthanu zhruba čtvrtina při zachování požadovaných vlastností). Tak se v roce 1989 dostaly na pulty Ni-MH baterie a o dvacet let později ještě poháněly elektromobily. Toyota je ve svých hybridech používá dodnes.
Aktuálně používané baterie jsou prakticky výhradně lithiového typu Li-ion, kde lithiové soli v organickém rozpouštědle slouží jako elektrolyt. Ty prošly velmi dlouhým vývojem, než se dočkaly praktického nasazení. První pokusy zmíněného principu proběhly už v roce 1912, první návrh prakticky použitelného článku pochází z roku 1960. Jenže prototyp se podařilo sestavit až v roce 1985 a o šest let později baterii, zpočátku určenou hlavně pro spotřební elektroniku, uvedlo Sony ve spolupráci s chemickým koncernem Asahi Kasei.
Li-ion chemie nabízí řadu výhod, především vysokou energetickou hustotu 200 Wh/kg, což je trojnásobek proti typu Ni-MH, vysokou životnost (přes 1 000 nabjecích cyklů), nízkou míru samovybíjení a absenci paměťového efektu. Jenže tu máme i nevýhody, pro něž se intenzivně pracuje na vývoji nových chemií. Li-ion baterie především obsahuje hořlavý elektrolyt, který se v případě požáru obtížně hasí. Může také vybuchnout při nesprávném používání (zkratování, přebíjení), nebo výrobní chybě (aféra Samgung Galaxy Note 7 či baterie v Boeingu 787). Baterie také stárnou bez ohledu na to, zda jsou/nejsou používány, což urychlují vysoké teploty, nabíjení baterie na 100 % a její ponechávání v tomto stavu i naopak vybíjení pod 20 % SoC (State of Charge, neboli míra nabití v rámci využitelné kapacity). Chemikálie v nich obsažené ohrožují životní prostředí a recyklace je dosud obtížná a nákladná. Přesto už existují technologie, schopné je zrecyklovat z cca 97 %.
Velmi perspektivním typem Li-ion baterie je Li-Fe-Po, kterou už některé automobilky, jako například Tesla, začaly ve velkém nasazovat do elektromobilů s menší kapacitou baterie. Teplotně nestálou katodu z kovových oxidů ovšem nahradila sloučenina LiFePO4, která je naopak stálá, odolná proti teplotním únikům, nejedovatá a levná. Nevýhodou je zatím menší energetická hustota, ale pokračující vývoj tento problém už téměř potlačil a LFP baterie patří mezi nejpravděpodobnější náhrady klasické Li-ion chemie v krátkodobém horizontu.
Slučování ohně a vody
Na trakční baterii jsou kladeny často protichůdné požadavky. Hledání nejlepšího kompromisu mezi nimi je předmětem výzkumu, který momentálně probíhá v nebývalé míře. Baterie musí být především bezpečné a co nejlépe odolávat mechanickému i tepelnému poškození. Druhá podmínka je velkou výzvou pro v současné době stále ještě nejpoužívanější Li-ion články se sklony ke spontánní tepelné destrukci a zahoření. Prevencí je dnes už téměř samozřejmý systém aktivní kontroly teploty baterie, který ji dokáže ochránit nejen před teplotními extrémy, ale také před přehříváním od vysoké zátěže. Vozy bez tzv. termomanagementu se sice už téměř nevyrábějí, avšak stále se ještě hojně vyskytují (Škoda Citigo iV, starší typy Nissanu Leaf) a trpí přehříváním baterie, vedoucím ke snížení výkonu a zpomalení opakovaného nabíjení.
Dále by měly mít co největší energetickou hustotu, tzn. pojmout maximum energie při minimální hmotnosti a objemu. Tento požadavek jde přímo proti termální odolnosti, řešením by měl být tzv. pevný elektrolyt, jehož vývoj je aktuálně těsně před uvedením do sériové výroby. Měly by bezpečně zvládat co největší vybíjecí a nabíjecí proudy. Na tom závisí nejen výkon elektromobilu, ale i schopnost rekuperace a následná hospodárnost vozidla. Výkon elektromotorů ve zpomalovacím režimu totiž může krátkodobě dosahovat i stovek kilowattů a na schopnosti pojmout tento příval závisí, kolik energie se zužitkuje a kolik se jí promrhá. Bohužel, málokterá baterie je reálně schopná přijímat všechen výkon při intenzivnějším zpomalování. Řešením může být tzv. hybridní baterie, zkombinovaná se superkapacitorem, jako třeba v elektrocyklu Nawa Racer. Velký kondenzátor sice trpí malou energetickou hustotou a relativně rychlým samovybíjením, avšak je schopen pobrat obří proudy za krátkou časovou jednotku. Pojme tedy veškerou energii z rekuperace, kterou buď následně zase odevzdá elektromotoru, nebo ji pomalejším tempem přelije do klasické baterie.
A konečně je žádoucí, aby pracovaly s co nejvyšším napětím, které omezuje ztráty a průřez přívodních vodičů. A umožňuje mnohem rychlejší nabíjení bez posilování vedlejších účinků. Aktuální standard se pohybuje kolem 400 voltů, trendem je architektura s napětím 800, 900 nebo více voltů (technické maximum aktuálních nabíječek činí 1 000 V). Starší baterie trpěly tzv. paměťovým efektem, ten se týkal především Ni-Cd a částečně i Ni-MH článků, tedy omezováním kapacity a životnosti, pokud byly nabíjeny před úplným vybitím. Ten už se moderních elektromobilů netýká.
Aktuální vývoj vede nejen k novým chemiím, které by se ideálně měly obejít bez vzácných prvků. Především rizikového a obtížně dostupného, tudíž drahého lithia. A také kobaltu. Bezkobaltové baterie už existují a chystají se na praktické využití. Představil je například čínský Svolt. S náhradou lithia to bude složitější, vědecké týmy se už celá léta (případně desetiletí) věnují hledání jeho substituce. Nejnadějněji v tomto směru působí sodík, hořčík a nově i vápník. Praktické použitelnosti už došel sodíko-sírový článek (Na-S), který se se svou vysokou energetickou hustotou, odolností i výkonným nabíjením ideálně hodí jako záložní zdroj v energetice či ve vesmírné technice. V automobilech zatím vadí jeho vysoká provozní teplota 300–350 °C, ovšem na řešení se pracuje.
Lithia je přece všude dost.