Elektrolit. Na czym polega przełom?
Kluczem do zrozumienia technologii akumulatorów ze stałym elektrolitem (z ang. Solid State Batteries – SSB, nazywane także jako baterie półprzewodnikowe – red.) jest rezygnacja z płynnego elektrolitu, czyli substancji odpowiedzialnej za przepływ jonów litu w tradycyjnych ogniwach, np. trakcyjnych w pojazdach.
W nowych bateriach ciecz zastępuje się ciałem stałym. I to zasadnicza zmiana, która eliminuje problem łatwopalnych rozpuszczalników organicznych, będących przyczyną wielu incydentów związanych z bezpieczeństwem współczesnych akumulatorów np. litowo-jonowych (de facto najpopularniejszych na rynku ogniw).
Owe, tzw. solidne elektrolity są odporne na wysokie temperatury i niepalne, co drastycznie zmniejsza ryzyko pożaru czy eksplozji. Dodatkowo, w takich bateriach substancja stała pełni także funkcję separatora, co upraszcza jej konstrukcję, eliminując potrzebę stosowania wielu komponentów – przekonują branżowi eksperci.
Co wyróżnia technologię?
Oczywiście akumulatory ze stałym elektrolitem to nie tylko kwestia bezpieczeństwa. Ich potencjał wykracza daleko poza ten kluczowy aspekt, bo SSB legitymuje się wyższą gęstością magazynowania, czyli absorbowania energii i rekordowymi (w porównaniu do innych rozwiązań) zasięgami wyposażonych w nie pojazdów (znacznie wyższa gęstość energii w porównaniu do ogniw z ciekłym elektrolitem).
Przykładowo, podczas gdy obecne akumulatory litowo-jonowe osiągają do 300 Wh/kg, te ze stałym elektrolitem mogą osiągnąć nawet 500 Wh/kg i więcej. To przekłada się na znacznie większy zasięg samochodu, który ma wynosić nawet 1000-2000 km na jednym ładowaniu!
Szybkie ładowanie
Kolejna przewaga SSB, to błyskawiczne ładowanie. W przypadku „solid-state” niejako zapominamy o długim czasie spędzonym przy ładowarce, bo te akumulatory mogą ładować się nawet sześć razy szybciej niż obecne. Przykład z rynku? Toyota dąży do naładowania ogniwa od 10 do 80 proc. w mniej niż 10 minut, a Nissan ambitnie zapowiada naładowanie do 65 proc. w zaledwie 5 minut. A to już jest parametr porównywalny z czasem tankowania samochodu spalinowego.
Trwałość
Niezaprzeczalną zaletą jest też trwałość. Dotychczasowe testy są wręcz imponujące. Frank Blome, prezes PowerCo (spółki-córki Volkswagena), cytowany przez media stwierdza, że – po zakończeniu prac będziemy mieć akumulatory, które zapewnią duże zasięgi, mogą być błyskawicznie ładowane i niemal nie ulegają degradacji.
Baterie testowane np. przez QuantumScape w laboratoriach PowerCo przeszły ponad tysiąc cykli ładowania (co odpowiada dziewięciu latom użytkowania) i zachowały 95 proc. swojej pojemności. Dla porównania, obecnie stosowane akumulatory litowo-jonowe tracą około jednej trzeciej pojemności w ciągu ośmiu lat.
Jak dodaje Jagdeep Singh, założyciel i dyrektor generalny Quantum Scape – chociaż mamy jeszcze sporo pracy do wykonania, aby wprowadzić tę technologię na rynek, to nie mamy wiedzy o żadnym innym akumulatorze litowo-metalowym do zastosowań w motoryzacji, który cechowałby się tak niewielką degradacją przy porównywalnej liczbie cykli i w podobnych warunkach.
Odporność na przeciążenia
Inna przewaga ogniw półprzewodnikowych to odporność na ekstremalne warunki pracy. Na przykład japońscy inżynierowie przetestowali innowacyjny elektrolit stały – tlenofluorek typu pirochlorowego – który może działać w temperaturach od -10 do +100 stopni Celsjusza.
Jego przewodność jonowa nawet w niskich temperaturach jest wyjątkowo wysoka, osiągając poziomy typowe dla innych elektrolitów w temperaturze pokojowej. To oznacza niezależność od warunków atmosferycznych i znacznie szerszy zakres zastosowań – pisze serwis chip.pl.
No i wreszcie! To, na co wszyscy producenci czekają, czyli mniejsze wymiary i waga, dzięki temu nowe ogniwa będą miały kompaktowe rozmiary i będą lekkie, co umożliwi bardziej elastyczne projektowanie pojazdów a wypadkową tych zalet będzie rzecz jasna – wspomniany już wcześniej – większy zasieg.
Przyszłość bliżej, niż myślisz
Jak donosi serwis InsideEVs.com, pojazdy z bateriami ze stałym elektrolitem, zarówno półstałym, jak i całkowicie stałym, są już testowane lub zbliżają się do etapu komercjalizacji. Choć początkowo mogą pojawić się w drogich modelach premium, to oczywiście z czasem trafią do szerszego grona odbiorców.
W Chinach, dzięki firmom takim jak Nio i SAIC Motors, samochody z bateriami półstałymi są już dostępne. Na przykład, Nio ET7 z akumulatorem półstałym o pojemności 150 kWh i gęstości energii 360 Wh/kg, oferuje zasięg do 1 050 kilometrów.
W realnych warunkach, w niskich temperaturach, prototyp ET7 pokonał ponad 1 042 km na jednym ładowaniu. Inne marki z Kraju Środka, takie jak IM Motors L6 (ponad 1000 km zasięgu, ładowanie na 400 km w 12 minut), MG4 (pierwszy przystępny cenowo masowy EV z baterią półstałą) czy Voyah Passion, również wprowadzają te rozwiązania do seryjnych aut, choć na razie stopniowo i nieco ostrożnie.
Także firma Dongfeng Motor testowała baterie półstałe w 50 prototypach Fengshen E70 i to już w 2022 roku, planując produkcję komercyjną do 2026 roku z zasięgiem ponad 1000 km.
W Europie i Ameryce Północnej także trwają intensywne testy i badania w tym obszarze. Mercedes-Benz EQS z prototypową baterią półstałą od Factorial Energy, obiecuje 25 proc. większy zasięg bez zwiększania rozmiaru czy wagi pakietu akumulatorów.
Dodge Charger Daytona EV również będzie testował podobne ogniwa Factorial Energy, które mają osiągnąć gęstość energii 375 Wh/kg i ładować się od 15 do 90 proc. w 18 minut. BMW z kolei testuje prototyp BMW i7 z ogniwami całkowicie stałymi firmy Solid Power, osiągającymi gęstość energii 390 Wh/kg.
Również gracze z Japonii i Korei mają ambitne plany dla SSB. Toyota, posiadająca najwięcej patentów w tej dziedzinie, spodziewa się masowej produkcji swoich baterii ze stałym elektrolitem w latach 2027-2028 i z szacowanym zasięgiem ponad 1000 km oraz ładowaniem od 10 do 80 proc. w mniej niż 10 minut.
Honda też pracuje nad własnymi ogniwami, które mają być o 50 proc. mniejsze, 35 proc. lżejsze i 25 proc. tańsze, oferując zasięg przekraczający 1000 km. Volkswagen inwestuje w QuantumScape, a Nissan planuje komercjalizację do końca roku fiskalnego 2028, czyli do 31 marca 2029 roku. Jak podkreśla Shunichi Inamijima, wiceprezes Nissana ds. inżynierii układów napędowych – To jest nasza ambicja i firma jest „w punkcie kulminacyjnym” prac nad pakietem akumulatorów – dodaje.
Nissan dąży do osiągnięcia gęstości energii na poziomie 1000 Wh na litr i wyeliminowania kobaltu z produkcji, wykorzystując elektrolit siarkowy. Z kolei BYD planuje małoskalową produkcję baterii siarczkowych ze stałym elektrolitem do 2027 roku i wprowadzenie ich do powszechnie dostępnych pojazdów elektrycznych do 2030 roku. Podobne terminy dla mniejszych zastosowań, czyli rok 2027 ogłosiły również FAW oraz Changan Auto.
Polski akcent w globalnym wyścigu
Warto podkreślić, że polscy naukowcy również wnoszą swój wkład w rozwój tej przełomowej technologii. Specjaliści z Politechniki Warszawskiej są zaangażowani w europejski projekt ASTRABAT, którego celem jest opracowanie nowej baterii ze stałym elektrolitem z surowców dostępnych w Europie.
Ich praca ma strategiczne znaczenie, uniezależniając europejski rynek od globalnych łańcuchów dostaw. W ramach projektu, naukowcy z PW zaprojektowali i zsyntetyzowali unikalne sole litowe oraz plastyfikatory z cieczy jonowej, a następnie zwiększyli skalę ich produkcji.
Jak podkreśla dr hab. inż. Leszek Niedzicki, profesor uczelni i kierownik zespołu badawczego – sole bezfluorowe opracowane w ramach projektu są pierwszymi takimi na świecie, które spełniają wymogi przemysłu bateryjnego.
Projekt ASTRABAT stawia również na przyjazne dla środowiska rozwiązania, koncentrując się na recyklingu materiałów i mniejszym zużyciu kobaltu. Pierwszy prototyp powstał już w 2022 roku, a realny termin wdrożenia technologii na większą skalę to rok 2030 – czytamy na stronie gov.pl.
Wyzwania i przyszłość
Mimo spektakularnych postępów, inżynierowie i naukowcy nadal mierzą się z wyzwaniami, takimi jak niższa przewodność litowo-jonowa niektórych stałych elektrolitów, problemy z kontaktem między elektrodą a elektrolitem, czy też skomplikowane i kosztowne procesy produkcyjne.
Mimo to determinacja w branży jest ogromna, bo półprzewodnikowe akumulatory to nie tylko obietnica, to przede wszystkim wizja elektromobilności, która będzie bezpieczniejsza, bardziej wydajna, „szybciej ładowana” no i dostępna w szerszym zakresie zastosowań. Także w nadchodzącej dekadzie możemy spodziewać się, że ten „święty Graal” zagości na naszych drogach, zmieniając krajobraz motoryzacji na zawsze.
Oskar Włostowski
