ZEBRA a jiné tepelné baterie

Tepelné baterie nejsou baterie, které by akumulovaly teplo. Nazývají se tak, protože pracují pouze při relativně vysokých teplotách. V tomto článku se podíváme na zajímavý bateriový systém, který svým názvem připomíná africké pruhované zvíře, o něm však nebude řeč. ZEBRA je zkratka ZEolite Battery Research Africa Project. Řeč bude také o dalších bateriích na bázi roztavených solí a kovů.

Ke správné funkci tohoto typu článků je potřeba je udržovat při vysoké teplotě, to skýtá zajímavé možnosti použití, ale i výrazné limitace. Jednotlivým vlastnostem se budeme věnovat podrobněji. Tepelné baterie byly vyráběny jak nabíjecí pro opakované použití (ZEBRA, Na-S) například pro trakci, tak i nenabíjecí pro vojenské použití (převážně Na-S). Poslední novinkou na poli tepelných baterií jsou baterie AMBRI.

Konstrukce

Konstrukce baterií na bázi roztavených solí je v celku jednoduchá, důraz se klade na tepelnou izolaci článků od okolí, tepelné ztráty jsou nežádoucí. Kryt baterie je tvořen kovovou schránkou, ve které je uložena tepelná izolace. V ní jsou umístěny jednotlivé články, které jsou pospojované do požadované konfigurace.

Článek tvoří kovový obal, v němž jsou umístěny elektrody a ty jsou oddělené zpravidla keramickým separátorem. Baterie musí být navrhnuta tak, aby odolala velkým změnám teplot, jelikož provozní teploty dosahují 400 až 700 st. Celsia. Baterie musí být schopná opakovaně vychladnout a zase se ohřát na provozní teplotu. Vychládání baterie může trvat 4-7 dnů, opětovné zahřátí pak 12 hodin až dva dny v závislosti na stavu nabití, velikosti baterie a podobně.

Vlastnosti

Výhody

Díky tomu, že vodivost elektrolytu ve studeném stavu je téměř nulová, nedochází za studena k chemickým reakcím uvnitř článku, a tak tyto baterie dosahují skladovatelnosti až 50 let. Na druhou stranu vysoká iontová vodivost roztavených solí v horkém stavu zajišťuje, že tyto baterie dosahují velmi vysokých měrných výkonů.

Poměrně dlouhá je také životnost, baterie jsou imunní vůči vlivu okolní teploty na rychlost degradace. ZEBRA nabízí energetickou hustotu srovnatelnou s Li-Ion akumulátory na bázi LFP (90-120 Wh/kg) Dobrá je taky dostupnost materiálů, ze kterých jsou tyto baterie vyráběny, navíc nejsou toxické.

Nevýhody

Mezi hlavní nevýhodu patří právě vysoká provozní teplota, baterie se musí neustále ohřívat, pokud se tak děje z externího zdroje napájení tak baterie zůstává nabitá. Při absenci externího zdroje energie je třeba počítat se samovybíjením zhruba 14 % kapacity denně. Energetická hustota je podprůměrná ve srovnání s Li-Ion akumulátory.

Baterie na bázi sodík–síra (Na-S)

Síra v tomto případě tvoří kladou elektrodu a sodík zápornou. Separátor tvoří keramická trubička na bázi oxidu hlinitého. Zprvu byla živostnost omezena tím, že se keramický separátor stal vodivým, což zvyšovalo samovybíjení. Provozní teplota u novějších verzí byla 250 až 350 st. Celsia.

Použití

Tyto baterie jsou zpravidla primární, tudíž je nelze nabít, a tak jsou používány tam, kde je potřeba jednorázově dodat určitou energii. Baterie se může vybíjet několik sekund, ale i několik hodin. Německá armáda je využívala ve svých raketách V-2. Obecně nacházely použití v naváděných střelách a podobně. Nabíjecí varianty sloužily v Japonsku jako testovací platforma pro použití s elektrizační rozvodnou soustavou, kde vykazovaly životnost zhruba 2500 cyklů při 100% hloubce vybití a energetickou účinnost 87 %.

ZEBRA

Poprvé byla tato technologie objevena v roce 1985 jako náhrada za nabíjecí baterie Na-S, které měly kratší životnost. Hlavní zamýšlené použití bylo pro elektrickou trakci vozů taxi a dodávek.

Elektrolyt je tvořen speciální keramikou na bázi korundu a roztavenou solí, která se nazývá tetrachlóraluminát sodný. Záporná elektroda je tvořena roztaveným sodíkem, kladná elektroda pak niklem (ve vybitém stavu), nebo chloridem nikelnatým v nabitém stavu.

Klíčové vlastnosti

• Nominální napětí: 2,58 V
• Živostnost: až 3000 nabíjecích cyklů, nebo 8 let provozu
• Výborná skladovatelnost (desítky let)
• Vysoký měrný výkon
• Energetický hustota srovnatelná s LFP lithiovými bateriemi
• Provozní teplota 270-350 st. Celsia, což je méně než u systému Na-S
• „Samovybíjení“ výkonem pro ohřev baterie je 14-18 % denně
• Materiály pro výrobu jsou dostupné, levné a netoxické
• Selhání se děje zpravidla vnitřními zkraty kvůli dendritům a rozpadu separátoru

AMBRI

AMBRI je systém, který byl vyvinut vědci z MIT. Jíž delší dobu je aktivně vyvíjen a zatím to vypadá, že pokud se podaří odstranit nedostatky týkající se životnosti izolačních materiálů uvnitř článků, tak se může jednat o velmi zajímavou variantu stacionárních baterií. Tomu nahrává velmi nízká cena vstupních materiálů, které jsou dobře dostupné a netoxické.

Princip

Využívá se principu, kdy při vybíjení a nabíjení je tvořena slitina kovů anebo čistý kov. Katoda může být tvořena například hořčíkem, vápníkem nebo lithiem. Anoda je tvořena v tomto případě antimonem. Ve studeném stavu jsou složky smíchané a článek se může tvářit, jako by byl zkratován. Po zahřátí na teplotu zhruba 450 st. Celsia se kovy oddělí, a vytvoří se mezi nimi vrstva roztavené soli, která slouží jako elektrolyt a separátor. Vybíjením a nabíjením se mění i síla vrstvy soli a kovu elektrody. Po každém cyklu se baterie dostává do výchozího stavu díky hustotní stratifikaci. Cyklická odolnost je velmi vysoká, zrychlené testování živostnosti ukázalo, že zbývající kapacita po 10 letech používání by měla být více než 80 % původní kapacity.

Vlastnosti

• Energetická účinnost: zhruba 70 %
• Napětí článku: 0,9 V
• Životnost: až 25 let, cyklicky až desítky tisíc nabíjecích cyklů
• Energetická hustota: přibližně 20 Wh/kg
• Nízká cena výrobních materiálů, netoxické

Tepelné baterie mají velký potenciál

Tepelné baterie představují systém s dlouhou historií, jejich spolehlivost a univerzálnost ve specifických aplikacích je předurčila k použití například ve vojenské technice, ale i v elektrické trakci a zálohovacích zdrojích tam, kde okolní vysoká teplota způsobuje nadměrnou degradaci jiných systému jako jsou například olověné nebo lithiové akumulátory. Výjimečná skladovatelnost je dobrým bonusem. AMBRI představuje zajímavou technologii, která časem možná bude sloužit pro vyvažování elektrizační sítě a podobně. Zkrátka tam, kde nízká energetická hustota není problémem.