Exkluzivně pro Brňana: Tomáš Kazda

Před dvěma lety si Tomáš Kazda, brněnský elektrotechnik z Vysokého učení technického, podal patent na svůj průlomový objev – baterie, které využívají síru místo nedostatkových kovů. „Výhodou je nepoužití celé řady kovů, a tím pádem nepotřeba těžby těchto materiálů, přičemž síra je současně mnohem dostupnější, jelikož její koncentrace v zemské kůře je poměrně vysoká a také je odpadním produktem celé řady průmyslových procesů,“ vyzdvihuje vědec, v čem je přínos jeho baterií. V plánu už je i jejich výroba.

Ve vašem výzkumu se vám podařil průlomový objev – baterie, které využívají odpadní síru. V čem tkví přínos těchto baterií oproti v současné době používaným lithium-iontovým bateriím?

Hlavní výhodou je použití síry jako materiálu s výrazně vyšší teoretickou kapacitou na straně kladné elektrody v porovnání s dnes používanými oxidy kovu a lithia. S vyšší kapacitou souvisí množství energie, které jsme schopni uložit do daného materiálu, a v případě síry tato hodnota převyšuje 3000 Wh/kg vztaženo na aktivní materiál, v případě dnes používaných materiálů se pohybujeme v praxi okolo 650 Wh/kg a teoretický limit je okolo 900 Wh/kg. Další výhodou je to, že kladná elektroda je tvořena především sírou, která je levná a snadno dostupná, takže neobsahuje další kovy, jako je třeba kobalt či nikl.

Jak jste vlastně přišel na to, že byste mohl použít síru?

Na využití síry jsme nepřišli sami, tento koncept je znám již od 60. let 20. století, kdy probíhaly experimenty s lithium-sirnými články pracujícími při teplotách přes 300 °C, ty však, jelikož se nedostavovaly dobré výsledky, byly opuštěny. S rozvojem lithium-iontových akumulátorů a nových technologií na ně navázaných se ale před nějakou dobou začaly otevírat dveře pro možné využití konceptu lithium-sirných akumulátorů při pokojové teplotě, avšak s celou řadou problémů, přičemž jedním z nejzásadnějších je nízká cyklovatelnost, tedy počet cyklů, které je článek schopen absolvovat, než ztratí podstatnou část své kapacity. Na tento problém jsme se v rámci řešení patentu tedy primárně zaměřili.

A můžete pro laiky vysvětlit, jakou má v baterce síra funkci, co nahrazuje?

Síra nahrazuje aktivní materiály v současnosti používané na straně kladné elektrody složené ze sloučenin lithia, kyslíku a různých kovů, jako je nikl, kobalt, mangan či železo, takže místo celé řady prvků, které jsou v některých případech poměrně drahé a jejich zdroje jsou do určité míry omezené, je použit pouze jeden prvek, kterým je síra a ta má navíc schopnost navázat na sebe dva atomy lithia, tedy dvojnásobek oproti v současnosti používaným materiálům.

Pojďme ještě k začátkům vaší výzkumné činnosti. Jak jste se dostal k tomuto tématu?

Oblasti výzkumu lithium-iontových akumulátorů jsem se začal věnovat v rámci doktorského studia a toto téma jsem si vybral, protože mě zaujalo a také mě lákala spolupráce s vedoucím tohoto tématu, jímž byl již zesnulý profesor Vondrák. Předtím jsem pracoval například na palivových článcích. V rámci své práce jsem se věnoval klasickým materiálům pro lithium-iontové akumulátory a následně materiálům s vyšším pracovním napětím a trochu i lithium-sirným akumulátorům, což se prohloubilo v rámci spolupráce s norskou firmou zastoupenou panem Slavikem, od které šel požadavek, zda bychom se tomuto tématu více nevěnovali. 

Kde všude najdou tyto baterky využití?

Mohou najít uplatnění všude, kde dnešní akumulátory, i v nových oblastech, kde je poptávka po vysoké hustotě energie, tedy například i při elektrifikaci letectví či samozřejmě v elektromobilitě.

Kdyby se tyto akumulátory začaly ve velkém používat v elektromobilech, co to udělá s tímto odvětvím? Co se týče jejich výdrže, spotřeby energie či dopadů na životní prostředí?

Co se spotřeby energie týče, tu určuje použitý motor, ale mohla by trochu klesnout díky snížení hmotnosti tzv. battery packu. Dojezd by se mohl díky nárůstu kapacity prodloužit, či by mohl zůstat zachován a výrazněji by pak klesla hmotnost battery packu, potažmo celého vozu. Výroba těchto akumulátorů by měla být díky nepotřebě některých kovů levnější a ekologičtější, takže by se snížila CO₂ stopa vyrobených elektromobilů, která je již v současnosti během celého života menší než v případě aut se spalovacím pohonem. Stejně tak by se snížily náklady na výrobu akumulátorů, a tím poklesla cena elektromobilů a byly by tak dostupnější. Pokud by umožnily částečnou elektrifikaci letecké dopravy, byl by dopad na snížení emisí v dopravě ještě výraznější.

Říkal jste, že představují ekologickou variantu k současným baterkám – v čem konkrétně?

Jak jsem již zmiňoval, výhodou je nepoužití celé řady kovů, a tím pádem nepotřeba těžby těchto materiálů, přičemž síra je současně mnohem dostupnější, jelikož její koncentrace v zemské kůře je poměrně vysoká a také je odpadním produktem celé řady průmyslových procesů.

Podstatná otázka se také týká recyklace baterií. Co s těmito bateriemi, až doslouží?

Stejně jako v případě současných akumulátorů, které se běžně recyklují a výsledné materiály se používají na výrobu dalších akumulátorů, by měla být možná i recyklace lithium-sirných akumulátorů, přičemž menší složitost elektrod z pohledu obsažených prvků bude vyžadovat menší nároky na komplexnost postupu recyklace. V současnosti se recyklací těchto akumulátorů nikdo komerčně samozřejmě nezabývá, jelikož nejsou komerčně vyráběny. 

Výroba však už dostává jasnější obrysy, a to v továrně na jihu Norska. Kdy by se mohly začít vyrábět?

Ano, v současnosti se rýsuje perspektiva, že by se tyto akumulátory s využitím námi podaného patentu mohly v budoucnu dostat na trh. Stále je však dobré být při zemi a nemít přehnaná očekávání, jelikož vytváření laboratorních prototypů z poloprovozu je z pohledu komplikovanosti a vzniku nepředpokládaných problémů něco jiného a od poloprovozu je pak ještě další cesta k sériové výrobě, během které se může ledacos dalšího zkomplikovat. Továrna na klasické lithium-iontové akumulátory v Norsku, jejíž součástí má být i zkušební provoz na výrobu lithium-sirných akumulátorů, by měla být uvedena do provozu v roce 2024. Výhodou je, že v případě úspěšného zprovoznění tohoto zkušebního provozu by mohla být zahájena jejich výroba v dané továrně bez nutnosti výstavby továrny další.

Sháněl jste nejprve českého investora, proč se to nakonec nepodařilo?

Tímto bych chtěl poděkovat všem, kteří se toto shánění snažili podpořit, jako je pan profesor Mejstřík nebo pan Marušinec. Problém je v zásadě vysoká cenová náročnost, délka vývoje a vysoké riziko, že projekt nebude úspěšný, což jsem nikdy nezastíral, ba naopak jsem ze své povahy spíše více opatrný, než abych říkal, že vše bude na 100 procent do budoucna fungovat perfektně a nemůže vzniknout při dalším vývoji nějaký zásadní problém a že jsme nejlepší na světě a do roka a dne budeme mít něco, co bude kupovat každá automobilka, to by z mého pohledu nebylo upřímné. Jak jsem zmiňoval, zásadní je cenová náročnost, která je v případě výzkumu baterií srovnatelná s výzkumem léků a jen vybavení laboratoře a její provoz na to, aby se daly rozumně a bez omezení články vyrábět v nějaké malé kusové sérii, je ve vyšších jednotkách milionů eur. Že se dosáhlo cíle, se zjistí až třeba po třech letech a to se bavíme o levné variantě v podmínkách ČR. No a naproti tomu stojí možnost investovat například do IT start-upu, který k provozu potřebuje zjednodušeně několik zaměstnanců, k tomu počítače, na kterých pracují, a peníze na kafe a pizzu a třeba do roka je jasné, jestli výsledná aplikace začne přinášet zisk, nebo ne. Takže se sice povedlo získat potenciální investory, ale ne takové, kteří by byli ochotní poskytnout dostatečné množství financí, anebo nebyli ochotni z určitých důvodů spolupracovat s dalšími investory, pokud tedy nepočítám ty značně podivné s nejasným původem zdrojů.

Věříte, že se dočkáme, že se tyto baterky budou běžně dávat třeba i do mobilů či notebooků?

Ano, je možné, že k tomu dojde, je otázka, jestli například v případě notebooků to bude potřeba, jelikož většinou spíše slyším, že baterie v mobilním telefonu by mohla vydržet déle, ale na notebooky si většinou nikdo nestěžuje.