Dlouhá desetiletí nedůvěry k elektromobilům jsou zjevně u konce: modelů v autosalonech i na trhu přibývá, ceny klesají, politická podpora roste. Marketing ale předbíhá technický vývoj, protože provozní parametry akumulátorů se zlepšují mnohem pomaleji. Navenek elektromobilní průmysl nastupuje triumfální cestu, ale po straně tlačí na konstruktéry baterií, aby přišli s řešením dřív, než mu problém přeroste přes hlavu.

"Všechny akumulátory na naší planetě mají kapacitu jen na osm minut světové potřeby elektřiny," uvedl na Twitteru Bill Gates. Nová baterie by podle jeho slov vyřešila většinu problémů lidstva. Gatesova nadace financuje výzkum vedený Bristol Robotics Laboratory, která vyvíjí palivový článek vyrábějící elektřinu z moči za pomoci mikroorganismů. Auta sice asi na finální produkt lidského metabolismu jezdit nebudou, ale pro smartphony to prý postačí. Zakladatel Microsoftu ovšem není sám − hledáním "svatého grálu energetiky" se zabývají stovky laboratoří po celé planetě.

Odvrácená tvář lithia

Kilowatthodina lithium-iontového akumulátoru nyní vyjde na 209 dolarů. Proti roku 2010 jde o pokles na pětinu. Agentura Bloomberg z toho vyvozuje, že okolo roku 2020 stejná kapacita vyjde na méně než 100 dolarů. A protože akumulátor má na ceně elektromobilu rozhodující podíl, agentura tvrdí, že jestli se nestane nic neočekávaného, tou dobou by elektrické vozy mohly být levnější než auta se spalovacím motorem.

Ale extrapolace dosavadního vývoje do budoucnosti jsou vždy ošidné. U akumulátorů se totiž sice společně se snižováním ceny daří zvyšovat kapacitu a energetickou hustotu (byť mnohem pomaleji), ale nikoliv počet nabíjecích cyklů, který se nyní pohybuje v řádu stovek.

U akumulátorů se sice daří snižovat ceny a zvyšovat kapacitu a energetickou hustotu, ale nikoliv počet nabíjecích cyklů.

V současnosti se u elektromobilů sleduje především dojezd na jedno nabití a porovnání ceny takové jízdy se spalovacím motorem, zatímco dlouhodobé provozní náklady vozu se zatím moc neřeší. Jenže automobil není mobil, který jde po dvou letech do elektroodpadu. Takže po − dejme tomu − pěti letech takového ježdění s dnešními typy li-ion článků všechno může vypadat úplně jinak, protože s rostoucím počtem nabíjecích cyklů kapacita současných akumulátorů dramaticky klesá.

Problematické je i samotné lithium. Jednak proto, že jeho zásoby jsou po planetě rozděleny velmi nerovnoměrně, ale i proto, že výroba z přírodní suroviny je energeticky náročná.

Start-upy hledající nové metody skladování elektřiny tak jsou velmi zajímavé pro investory − to je i důvod, proč se zprávy o nových typech článků v poslední době objevují skoro stejně často jako o nových lécích na rakovinu. Některé mohou ukazovat cestu, jiné slouží spíš jako návnada na investory − a odlišit první od druhých není lehké.

V současnosti se řešení problémů akumulace elektřiny ubírají třemi směry: vylepšováním lithiových článků, nahrazováním problematického lithia v chemických článcích jinými materiály a využíváním nechemických principů ukládání energie.

Nadějné sklo a hliník

Vylepšováním lithiových článků se zabývá například česká společnost HE3DA, která hodlá spustit velkovýrobu nových typů článků. Od těch stávajících se budou lišit elektrodami, při jejichž výrobě se uplatní nanotechnologie.

Vědci z University of California zase zkoušejí pro výrobu anod lithio­vých akumulátorů používat sklářské písky, z nichž speciálním postupem získávají trojrozměrné křemíkové nanostruktury. Články s těmito anodami jsou levnější a přitom mají vyšší kapacitu a delší životnost.

Jako nadějné se jeví rovněž články s pevným elektrolytem. Tekutý nebo polymerový elektrolyt v nich nahrazují pevné vodiče, které na rozdíl třeba od kovů nevedou proud prostřednictvím elektronů, ale prostřednictvím iontů.

Jiný princip využití lithia k chemickému skladování elektřiny využívají články označované jako li-air. Jak název naznačuje, probíhá v nich oxidace a redukce lithia prostřednictvím vzdušného kyslíku. Problémem ale zatím je jejich stabilita, životnost a počet nabíjecích cyklů.

Zájem o vylepšování lithiových článků prostřednictvím nanotechnologií kulminoval okolo roku 2015, v poslední době si ale konstruktéři stále častěji kladou otázku: "Nešlo by to bez lithia?"

S myšlenkou nahrazení lithia jako první poněkud paradoxně přišel jeden z vynálezců li-ion článků John B. Goodenough (narozen 1922). Jako vhodný materiál navrhl sklo. Navzdory počátečnímu skepticismu se mu ve spolupráci s fyzičkou Marií Helenou Bragaovou podařilo vyvinout levný článek, který přežije až 4000 nabíjecích cyklů.

Dalším perspektivním principem jsou články, v nichž reaguje atmosférický kyslík s hliníkem. Teoreticky nabízejí mnohem vyšší energetickou hustotu než li-ion články. Už roku 2013 dokázali izraelští inženýři s jejich pomocí ujet vzdálenost 2000 ki­lometrů. Zásadním problémem ale je, že hliník se při reakcích v tomto článku nevratně mění, takže jde o zdroj na jedno použití.

Nadějnější proto jsou al-ion články, které lze nabíjet, mají ale nižší energetickou hustotu. Pracují na podobném principu jako li-ion akumulátory, ale místo lithia obsahují hliník.

Chybějící článek k revoluci

Doteď jsme mluvili o chemických článcích, v nichž se energie ukládá prostřednictvím složitých reakcí. Z toho také plynou všechny jejich nevýhody. Proto se nabízí zdánlivě poněkud dětinská myšlenka: to nejde elektřinu do něčeho prostě jen nalít, stejně jako lijeme třeba benzin do nádrže? Odpověď je kupodivu kladná − řešení se jmenuje ultrakapacitor.

Ve skutečnosti je to vůbec nejstarší známý způsob skladování elektrické energie: už ve 40. letech 18. století Ewald von Kleist a Pieter van Musschenbroek nezávisle jeden na druhém vymysleli zařízení, kterému se říká leydenská lahev. Ta byla vlastně prvním kondenzátorem, dnes běžnou elektronickou součástkou. Když si vezmete nějaký kondenzátor s vyšší kapacitou, přiložíte k jeho vývodům na chvilku baterii a pak ke stejným vývodům LED, bude nějaký čas svítit.

Kapacita klasických kondenzátorů ovšem pro využití jako akumulátory k praktickým účelům nestačí, proto se vyrábějí takzvané ultrakapacitory. Jejich nabíjecí časy se počítají ve vteřinách, dokážou okamžitě dodat plný výkon, nabíjecích cyklů vydrží desetitisíce až miliony, zatím se ale vyznačují malou energetickou hustotou a ještě ke všemu nejsou zrovna levné. Proto se používají hlavně jako záložní zdroje.

Ultrakapacitory již pohánějí elektrobusy v Šanghaji. Nabijí se za méně než půl minuty, musí to však dělat na každé zastávce.

Skvělé parametry ultrakapacitorů motivují inženýry dosáhnout u nich energetické hustoty přinejmenším srovnatelné s li-ion články. Největší šanci na úspěch i v tomto případě nabízejí nanotechnologie. Například odborníci z Massachusetts Institute of Technology sestavili z uhlíkových nanotrubic strukturu podobnou kartáči na vlasy s cílem získat stejnou hustotu energie jako u současných lithiových akumulátorů. Podařilo se jim docílit desetkrát vyšší kapacity než u dnešních komerčně vyráběných ultrakapacitorů.

Přestože ve vozech Tesla Motors jsou li-ion akumulátory, v budoucnost ultrakapacitorů věří i Elon Musk. Už roku 2011 na Clean Foru v San Francisku prohlásil: "Jestli mám dělat nějaké předpovědi ohledně elektromobilů, tak pokládám za velmi pravděpodobné, že je nebudou pohánět baterie, ale ultrakapacitory."

Dnes už jsou součástí městské dopravy v Šanghaji elektrobusy poháněné ultrakapacitory. Zatím ale čelí nevýhodám tohoto zdroje energie. Sice se na plnou kapacitu nabijí za méně než půl minuty, musí to však dělat na každé zastávce.

Začátkem března ale Jim Heathcote, šéf společnosti Superdielectrics, oznámil, že vyvinuli materiál pro výrobu ultrakapacitorů, které budou mít kapacitu mnohonásobně větší než ty dnešní, budou levné a nebudou vyžadovat žádné exotické materiály, protože budou z největší části tvořené vodou. Heathcote je odborník v oblasti polymerů pro medicínské účely a podle svého vyjádření narazil na možnosti využití těchto mate­riálů pro skladování energie náhodou. Firma proto napřela úsilí tímto směrem a tvrdí, že objevila "chybějící článek k revoluci elektromobilů".