Předpokladem pro rozšíření větrné a solární energie je vybudování velkých center pro skladování energie, které vyrovnávají nepravidelnosti ve výrobě a zajišťují stabilitu rozvodného systému. Větru a slunci neumíme poručit. Tato centra jsou v základu soustavami výkonných baterií. Ty jsou také základními pohonnými jednotkami pro elektromobily, stejně jako pro nekončící řadu nejrůznějších přístrojů, používaných v průmyslu i domácnostech. Naprostá většina těchto baterií je typu Li-ion, tedy lithium-iontových, jež díky svým vlastnostem vytlačily jiné typy nabíjecích článků. Nepostradatelnými materiály pro jejich výrobu jsou lithium a kobalt.
Tyto dva strategické nerosty reálně představují „úzké hrdlo“ a mohly by být překážkou dalšího vývoje. Těžba každého z nich je totiž náročná z hlediska ekologie i geopolitiky.
Sedmdesát procent světové těžby kobaltu pochází z Konga. Polovinu tamních dolů vlastní nebo financují čínské společnosti. Podle neziskových organizací devadesát procent těžby putuje do Číny, zatímco místní obyvatelé pracují v dolech za nelidských podmínek.
Lithium je alkalický, vysoce reaktivní kov, který se v přírodě nevyskytuje samostatně, ale pouze ve sloučeninách. V horninách je jemně rozptýleno a na jeho těžbu nelze použít běžné dolování. Většina zásob lithia je v Jižní Americe, polovina známých zásob leží v Bolívii na dně solných pánví – největší z nich je Salar de Uyuni. Lithium se získává postupy využívajícími jeho schopnost rychle tvořit soli v roztoku, což znamená obrovskou spotřebu vody. Konkrétně v Bolívii to způsobuje devastaci prostředí i života obyvatel. Většina těžařských společností je opět v rukách čínských firem.
Omezené zdroje suroviny i závislost na zdrojích, na nichž závislí být nechceme, povzbuzují k hledání jiné alternativy k lithiu i kobaltu. Za současné situace to dává smysl z hlediska materiálové a geopolitické bezpečnosti i ochrany životního prostředí.
Posledních několik let běží po celém světě řada výzkumných projektů při hledání nových bateriových technologií. Velmi nadějné jsou sodíkovo-iontové baterie, jejichž elektrody jsou místo lithia vyrobeny ze sodíku. Ten patří v periodické tabulce prvků do stejné skupiny alkalických kovů jako lithium a má tedy podobné chemické vlastnosti. Jeho dostupnost je však nepoměrně lepší: sodík je šestým nejběžnějším prvkem na Zemi a tvoří 2,6 % zemské kůry. Jelikož je součástí běžné soli NaCl, lze ho získávat například z mořské vody. V současnosti je dvěstěkrát levnější než lithium.
Samozřejmě to má i háček. Atomová hmotnost sodíku je 3,3krát větší než u lithia, takže sodík je při stejném objemu zhruba třikrát těžší než lithium. To může být problém při využití sodíkových baterií v elektromobilech, protože tam je potřeba co nejnižší hmotnost a menší rozměry. Zastánci sodíku však upozorňují, že elektroda tvoří jen malou část hmotnosti celého článku.
Větším problémem je, že sodíkové baterie mají zatím mnohem nižší energetickou hustotu. To je důležitý faktor, který ovlivňuje „výkonnost“ baterie (u elektromobilu například dojezd vozidla). Zatímco současné Li-ion baterie v elektromobilech dosahují energetické hustoty asi 200 Wh/kg, sodíkové baterie nabízí hustotu kolem 90 Wh/kg. Nicméně podle vědců existuje potenciál, že se v příštích letech zvýší.
Vědecký výzkum, který hledá možnosti výroby sodíkových baterií, už má reálné výstupy. Národní laboratoř Argonne, pracující pro mocné americké ministerstvo energetiky (DOE), si nedávno nechala patentovat katodový materiál na bázi sodíku, který nahrazuje ionty lithia. Baterie by tak mohla být až o třetinu levnější. Pro aplikace v elektromobilech odhaduje Argonne u nových sodíkových baterií dojezd 180 až 200 mil, což je na dnešní poměry relativně málo.
Společnost CATL, jeden z největších světových výrobců baterií, už roce 2022 oznámila zahájení hromadné výroby akumulátorů na bázi sodíku. V únoru 2023 čínská společnost HiNa Battery Technology Co, Ltd. poprvé umístila sodíko-iontovou baterii o kapacitě 140 Wh/kg do testovacího elektromobilu a výrobce zařízení pro ukládání energie Pylontech oznámil, že získal pro svou sodíko-iontovou baterii certifikát od TÜV Rheinland.
Na technologii sodíkové baterie pracují také v Pacific Northwest National Laboratory (Richland, USA). Jejich baterie využívá kombinaci hliníku a sodíku ve formě roztavené soli a je určena primárně pro skladování energie v rozvodné síti. Konstrukce baterie z roztavené soli má podle nich potenciál nabíjet a vybíjet se mnohem rychleji než jiné konvenční vysokoteplotní sodíkové baterie, pracovat při nižší teplotě a zachovat si vynikající kapacitu pro ukládání energie. Hustota energie u nového typu článku dosahuje pouze 100 Wh/kg, což je stále velmi málo a nedostačuje pro použití v elektromobilech a velkých zařízeních.
Vědci na Chalmersově univerzitě v Göteborgu (Švédsko) posuzovali životní cyklus baterií sodíkových a lithiových baterií. Zkoumali dopad na životní prostředí a zdroje od kolébky až po bránu, tj. od těžby surovin až po výrobu bateriového článku. Studie nezkoumala dopady recyklace a nakládaní po ukončení životnosti – dvě oblasti, které jsou u sodíkových i lithiových baterií velmi problematické. Recyklace u existujících lithiových baterií je tak nákladná, že ztrácí ekonomický smysl, takže se podle některých pramenů daří recyklovat pouze jedno procento vysloužilých baterií.
Ve švédské studii byly testovány dva různé mixy elektrické energie a dva různé typy tzv. alokačních metod – tedy rozdělení zdrojů a emisí. Vědci došli k závěru, že sodíkové baterie jsou mnohem lepší než lithium-iontové baterie, pokud jde o dopad na nedostatek nerostných zdrojů, a rovnocenné z hlediska dopadu na klima. Ten by šel podle vědců snížit, pokud by se použil ekologicky vhodnější elektrolyt, který tvoří velkou část celkového dopadu baterie na životní prostředí. Navrhují také, aby se na výrobu anody, která je z uhlíku, používala biomasa z lesního průmyslu.
Sodíkové baterie jsou zatím na samém začátku a jejich provozní parametry nemohou konkurovat lithiovými. Jsou však výrazně levnější, což je silný argument. Sodíkové baterie mohou nabídnout levné řešení elektrifikace pro situace, kdy se dražší lithiová baterie nevyplatí – jako jsou nejrůznější malé domácí přístroje, ale také servisní vozidla v průmyslových areálech, komunální vozy pro čištění ulic nebo sběr odpadu, nebo třeba golfové vozíky. Elektromobil poháněný sodíkovou baterií by mohl zaujmout městské a příměstské řidiče, kteří nutně nepotřebují auto pro jízdu na dlouhé vzdálenosti.
Další oblastí, kde by se sodíkové baterie mohly dobře uplatnit, je skladování energie ze zelené energetiky, kde by větší hmotnost či nižší hustota energie nemusely být na překážku. Navíc jsou sodíkové baterie plně kompatibilní se stávajícími systémy výroby a řízení lithium-iontových baterií.
Další výzkum rychle pokračuje a možná se komercializace sodík-ion baterií dočkáme velmi brzy.*
Jarmila Šťastná
