Batérie patria medzi kľúčové technológie elektromobility. Rozhodujú o dojazde, výkone, bezpečnosti, životnosti aj cene elektrického vozidla. Zároveň však nie sú iba jednou súčiastkou v aute, ale komplexným technologickým systémom, v ktorom sa spája chémia, materiálové inžinierstvo, presná výroba a priemyselná kvalita.
Téme chémie a výroby batérií sa venoval Lukáš Pavlovec, Senior Polymer and Solid-State Scientist zo spoločnosti InoBat v rámci webinára Battery Value Chain, ktorý SEVA pripravila pre Pohár mladých konštruktérov ako súčasť vzdelávacej platformy SEVA Academy.
Cieľom webinára bolo priblížiť študentom a mladým konštruktérom celý hodnotový reťazec batérií – od výskumu, vývoja a výroby cez využitie v automobiloch a batériových úložiskách až po zelenú energiu, zber, bezpečnú prepravu, recykláciu a zhodnotenie batérií.
Slovensko má pre batériový priemysel dobré predpoklady
Slovensko je silne naviazané na automobilový priemysel a zároveň sa nachádza v strategickej polohe v strede Európy. Má dobré napojenie na hlavné európske trhy, technicky vzdelaných ľudí a skúsenosti s priemyselnou výrobou.
Práve preto môže byť batériový priemysel jednou z oblastí, v ktorej sa bude rozhodovať o budúcej konkurencieschopnosti slovenskej ekonomiky. Ak sa automobilový priemysel mení smerom k elektrifikácii, je dôležité, aby na Slovensku nevznikali len samotné vozidlá, ale aj znalosti, technológie a výrobné kapacity súvisiace s batériami.
InoBat je jedným z príkladov tohto smerovania. Spoločnosť pôsobí vo Voderadoch pri Trnave, venuje sa výskumu, vývoju a výrobe lítiovo-iónových batérií a pracuje aj s batériovými riešeniami podľa potrieb konkrétnych zákazníkov.
Batéria sa začína chémiou
Pri elektromobiloch sa najčastejšie hovorí o kapacite batérie, dojazde alebo rýchlosti nabíjania. Za týmito parametrami je však najmä chémia batériového článku.
Základom lítiovo-iónovej batérie sú 2 elektródy – anóda a katóda. Pri anódach sa často používa grafit alebo kremík, pri katódach rôzne chemické zloženia, napríklad NMC, LFP, NCA alebo LCO. Každá z týchto možností má iné vlastnosti a je vhodná pre iný typ použitia.
Výber materiálov ovplyvňuje energetickú hustotu, výkon, životnosť, bezpečnosť aj cenu článku. Inak povedané, batéria nie je len otázkou toho, „koľko energie sa do nej zmestí“, ale aj toho, ako spoľahlivo, bezpečne a dlho dokáže túto energiu poskytovať.
Separátor, elektrolyt a aditíva rozhodujú o bezpečnosti aj životnosti
Okrem anódy a katódy sú dôležitými časťami batérie aj separátor a elektrolyt. Separátor oddeľuje kladnú a zápornú elektródu tak, aby medzi nimi nedošlo k priamemu kontaktu. Elektrolyt umožňuje pohyb iónov medzi elektródami.
Dôležitú úlohu majú aj chemické aditíva. Tie môžu zlepšiť životnosť, výkon alebo bezpečnosť článku. Aj malé zmeny v materiáloch alebo v ich spracovaní môžu mať významný vplyv na výsledné vlastnosti batérie.
Pre mladých konštruktérov je to dôležitá lekcia: technický výsledok často neurčuje iba samotný návrh zariadenia, ale aj kvalita materiálov, detailov a výrobných procesov.
Výroba batérie je sled presných krokov
Výroba batériového článku sa skladá z viacerých na seba nadväzujúcich etáp. Začína sa prípravou vstupných materiálov a miešaním aktívnych zložiek. Nasleduje nanášanie materiálu na fólie, sušenie, kalandrovanie, rezanie, skladanie článku, zváranie kontaktov a plnenie elektrolytom.
Dôležitými záverečnými krokmi sú formovanie a zrenie článku. Práve v tejto fáze sa stabilizujú jeho vlastnosti a overuje sa, či spĺňa požadované parametre.
Výsledná kvalita batérie preto nevzniká až na konci výrobnej linky. Formuje sa postupne v každom jednom kroku. Presnosť, čistota, kontrola vlhkosti, kvalita materiálov a správne nastavenie technológie rozhodujú o tom, či bude článok bezpečný a spoľahlivý.
Rôzne formáty článkov pre rôzne použitie
Batériové články sa líšia aj svojou konštrukciou. V praxi sa používajú najmä 3 základné formáty: pouch články, cylindrické články a prizmatické články.
Pouch články umožňujú flexibilné využitie priestoru. Cylindrické články sú známe z viacerých automobilových aplikácií a batériových balíkov. Prizmatické články majú pevnú konštrukciu a často sa využívajú tam, kde je dôležitá mechanická stabilita a efektívne skladanie do modulov.
Neexistuje jeden univerzálne najlepší typ článku. Výber závisí od konkrétnej aplikácie, požiadaviek výrobcu, konštrukcie vozidla, nárokov na výkon, cenu, bezpečnosť a životnosť.
Battery Value Chain: batéria ako celý hodnotový reťazec
Prednáška InoBat bola súčasťou širšieho webinára o Battery Value Chain. Ten študentom ukázal, že batérie nie sú izolovanou technológiou, ale celým hodnotovým reťazcom.
Začína sa výskumom a vývojom, pokračuje výrobou článkov, ich využitím v automobiloch a batériových úložiskách, nadväzuje na energetiku, zelenú elektrinu, bezpečnú manipuláciu a končí sa recykláciou a zhodnotením použitých batérií.
Práve tento širší pohľad je pri elektromobilite kľúčový. Elektromobil nie je len nové auto s iným pohonom. Je súčasťou premeny priemyslu, energetiky, dopravy a technologických zručností, ktoré budú potrebné v najbližších rokoch.
Pre mladých konštruktérov je batéria výzva aj príležitosť
Batéria spája viacero disciplín naraz. Potrebuje chémiu, fyziku, elektrotechniku, strojárstvo, softvér, výrobu aj bezpečnostné štandardy. Práve preto je ideálnou témou pre mladých ľudí, ktorí sa zaujímajú o techniku, konštruovanie a budúcnosť priemyslu.
Prednáška Lukáša Pavlovca ukázala, že za jednoduchým pojmom „batéria“ sa skrýva veľa rozhodnutí, výskumu a presnej práce. A zároveň ukázala, že aj na Slovensku vznikajú firmy a projekty, ktoré sa do tejto technologickej zmeny aktívne zapájajú.
Batérie budú jednou z kľúčových technológií budúcnosti. Kto im porozumie dnes, bude lepšie pripravený na priemysel, dopravu a energetiku zajtrajška.