Polovodičové batérie: na ceste k zázračnej batérii

16. 4. 2025

Výrobcovia automobilov a špecializované spoločnosti investujú stovky miliónov eur do vývoja polovodičových batérií. Týmto novým typom batérie chcú vyriešiť niektoré zo základných nevýhod lítium-iónových batérií, ktoré sa stále používajú v automobiloch.

Dlhší dojazd, kratšie časy nabíjania, zvýšená bezpečnosť – to je to, v čo dúfajú mnohí majitelia elektromobilov. A v dohľadnej budúcnosti by sa to mohlo splniť. Vývoj polovodičových batérií (SSB) rýchlo napreduje: Toyota plánuje používať polovodičové batérie od roku 2027, Ford od roku 2028, Hyundai a Mercedes do roku 2030 a BMW od roku 2030. Články SSB sa majú dostať na trh ešte skôr vo forme polovodičových konceptov, čím dodajú elektromobilite nový impulz.

Dvojnásobná hustota energie

Ale začnime od začiatku. Hlavný rozdiel oproti lítium-iónovým batériám (LIB), ktoré sa v súčasnosti používajú najmä v automobiloch, spočíva v elektrolyte. V konvenčných systémoch na skladovanie elektriny je toto médium na prenos iónov medzi anódou a katódou kvapalné. V tuhých batériách pozostáva výlučne z pevných látok. Vo všeobecnosti sú vyvinuté na báze sulfidov, oxidov, fosfátov, polymérov alebo keramiky.

V závislosti od presného zloženia majú elektrolyty rôzne vlastnosti, čo sa týka iónovej vodivosti, stability alebo hmotnosti – a teda aj hustoty energie. Podľa prieskumu Fraunhoferovho inštitútu pre systémový a inovačný výskum (ISI) z roku 2024 sa výrobcovia SSB zameriavajú na hodnoty okolo 400 Wh/kg. To by zhruba zdvojnásobilo hustotu energie lítium-iónových batériových článkov (v súčasnosti 150 až 200 Wh/kg). S novými zázračnými batériami by zase bola hranica 1 000 kilometrov pre elektromobily na dosah.

1 000 nabíjacích cyklov - približne 500 000 najazdených kilometrov

Navyše existuje veľa náznakov, že polovodičové batérie sú tiež výrazne odolnejšie. Napríklad minulý rok spoločnosť Volkswagen a jej americký partner Quantumscape oznámili dokončenie testu prototypu polovodičovej batérie. Podľa výsledkov sa jej podarilo absolvovať viac ako 1 000 nabíjacích cyklov, čo zodpovedá celkovej životnosti približne 500 000 najazdených kilometrov. Druhé zistenie bolo tiež zaujímavé: v porovnaní s klasickou lítium-iónovou batériou tento článok starne oveľa pomalšie. Po testoch mala batéria stále dobrých 95 percent svojej pôvodnej úložnej kapacity.

Ďalší rozdiel je dôležitý z hľadiska bezpečnosti. „Kvapalné organické elektrolyty sú prchavé, vysoko horľavé a v najhoršom prípade môžu urýchliť vznik požiaru alebo výbuchu,“ vysvetľuje Thomas Hucke, vedúci testovacieho centra batérií DEKRA, ktoré sa buduje na mieste v Klettwitz v Brandenbursku. V závislosti od použitých materiálov platí: „Pevné elektrolyty výrazne spomalia chemické reakcie, ak dôjde k napätiu.“ V neposlednom rade štruktúra elektródy a elektrolytu vo veľmi tenkých vrstvách urýchľuje transport iónov. Batéria sa preto nabíja rýchlejšie.

Výzvy do uvedenia na trh

Podľa Huckeho by malo byť len otázkou času, kedy sa nová generácia batérií bude masívne inštalovať do vozidiel. „V súčasnosti táto technológia stále znie ako sen budúcnosti. Ale môže sa rýchlo stať skutočnosťou.“ Základné poznatky o materiáloch, kombináciách materiálov a uskutočniteľnosti sú už k dispozícii. V malom laboratórnom meradle vyzerá stav vývoja veľmi sľubne. „Veľkou výzvou pre výrobcov je teraz najprv overiť nové výrobné kroky a potom ich rozšíriť – ako aj paralelne vytvoriť potrebné dodávateľské reťazce.“

Ďalšou prekážkou je správanie materiálu počas prevádzky. Anódy polovodičových batérií sa počas cyklov nabíjania a vybíjania viditeľne rozťahujú alebo zmršťujú. Tieto účinky je potrebné zohľadniť pri návrhu. V opačnom prípade by sa mohli prerušiť kontakty alebo by sa mohli objaviť praskliny. Inžinieri preto musia nájsť spôsob, ako zabezpečiť, aby pevný pár elektródy a elektrolytu zostal funkčne neporušený aj napriek mnohým cyklom nabíjania a širokému teplotnému rozsahu.

Hucke odhaduje: „Rok 2030 je celkom realistický pre prvé komerčné využitie.“ Potom by sa veci mohli rýchlo pohnúť, ak budú cena a výkon vhodné. „Dopyt po elektromobiloch s výrazne väčším dojazdom určite existuje. A keď sa dobrý produkt stretne s nenasýteným trhom, skúsenosti ukazujú, že sa veci hýbu veľmi rýchlo.“

Scenáre pre použitie mimo automobilového priemyslu

Medzitým čínsky výrobca elektromobilov Nio robí medzikrok a rozširuje ponuku pohonu svojej vlajkovej lode ET7 – využíva technológiu polotuhých batérií. Ide o hybridnú batériu, ktorá kombinuje pevné a kvapalné elektrolytické materiály.

Nie je to však len automobilový priemysel, kto sa zameriava na nové zázračné batérie. Výrobca lietadiel Airbus načrtol prvé náčrty nástupcu lietadla A320neo, ktoré by malo vstúpiť na letecký trh medzi rokmi 2035 a 2040. Polovodičové batérie by mohli nielen pomôcť lietadlu s rolovaním na pristávaciu dráhu a z dráhy do parkovacej polohy, ale aj zabezpečiť energiu pre osvetlenie a klimatizáciu v kabíne, ktorú, podobne ako alternátor v aute, v súčasnosti stále generujú generátory v motoroch. Polovodičové batérie sa preto považujú za batérie s veľkým potenciálom aj ako stacionárny systém na ukladanie obnoviteľnej energie.

Všetky typy testov batérií z jedného zdroja

Nové Testovacie centrum batérií DEKRA na okruhu DEKRA Lausitzring v Brandenbursku už nadobúda podobu. Bude ponúkať všetky typy testov batérií z jedného zdroja – vrátane mechanických, výkonnostných a environmentálnych testov spolu s tzv. „testami zneužívania“. DEKRA už teraz poskytuje komplexnú podporu pre vývojovú pomoc, schvaľovanie a zabezpečenie kvality prostredníctvom mechanických testov, výkonnostných a environmentálnych testov a testov zneužívania pre batériové bloky a moduly. Viac informácií nájdete tu: https://www.dekra.de/de/batterie-test-center/

Zobraziť všetky články