Zasięg – święty graal i języczek u wagi elektromobilności
O zasięgu samochodu elektrycznego decydują dwa główne czynniki: realne zużycie energii przez pojazd i ilość energii zgromadzonej w bateriach. W zakresie niskiego zużycia energii, dobre wieści płyną z Monachium (lub raczej ze Stuttgartu). Podczas tegorocznego IAA w Monachium, Mercedes zaprezentował koncepcyjnego Mercedesa CLA. Pojazd będzie zbudowany na platformie MMA z wykorzystaniem architektury 800 V. Jednak tym co zaskoczyło ekspertów jest wydajność. Według zapowiedzi (oby się potwierdziły w wersji produkcyjnej), samochód ma być ekstremalnie efektywny: sprawność energetyczna napędu “od baterii do kół” to 93% a zapowiadane zużycie energii to 12 kWh/100 km. Jeśli eksploatacyjne zużycie energii będzie na takim poziomie, to nowe dzieło sztuki inżynierskiej ze Stuttgartu zdetronizuje dotychczasowego króla oszczędności – Teslę Model 3 Standard Range Plus, której zapotrzebowanie to około 14-15 kWh/100km.Samochód ma mieć zasięg do 750 km (WLTP).
Mercedes zapowiada wykorzystanie w bateriach dwóch składów chemicznych ogniw: w pierwszym przypadku anodę będzie oparta o tlenek krzemu, co daje nadzieje dużej gęstości energii a w drugim przypadku będzie to konwencjonalna chemia litowo-żelazowo-fosforanowa. Łączenie ogniw będzie wykonane metodą klejenia (a nie skręcania), co obniża masę i zwiększa sztywność pakietu.
Nowe technologie bateryjne
Aby zwiększyć zasięg pojazdu, można budować coraz większe baterie, które zmieszczą więcej energii. Niestety ta droga ma swoje ograniczenia. Przede wszystkim duża bateria zajmuje znaczną ilość miejsca i drastycznie podnosi masę pojazdu. Stellantis zaprezentował prototyp akumulatora pojazdu elektrycznego, który integruje w modułach funkcje falownika i ładowarki. To rozwiązanie oszczędza masę i przestrzeń w pojeździe elektrycznym i pozwala na obniżenie kosztów. Dodatkowa przestrzeń może być wykorzystania do zabudowania większej baterii, co ostatecznie zwiększy zasięg pojazdu.
Stellantis wraz z należącą do TotalEnergies firmą Saft zajmującą się rozwiązaniami akumulatorowymi współpracowały przez cztery lata z francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych (CNRS) nad projektowaniem, modelowaniem i symulacją tej technologii. Wspólny projekt badawczy nosi nazwę Inteligentny Zintegrowany System Baterii (IBIS) – jego prototyp działa od lata 2022 r.
NMC vs LFP
Obecnie na rynku wykorzystywane są dwie główne technologie litowo-jonowe akumulatorów do pojazdów elektrycznych: akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LFP) i akumulatory litowe NMC/NCA. W technologii NMC elektroda dodatnia składa się z niklu, manganu i kobaltu w różnych proporcjach. Elektroda ujemna jest grafitowa. To technologia o wysokiej gęstości energii. Ogniwa LFP cechują się wyższym poziomem bezpieczeństwa i wykorzystują powszechniejsze (tzn. łatwiej dostępne i tańsze) żelazo i fosfor, zamiast kobaltu, manganu i niklu. Ich wadą jest jednak wolniejsze ładowanie w niskich temperaturach w porównaniu do NMC.
Jak przekazał Bartłomiej Derski z redakcji wysokienapiecie.pl koncern BMW w nowych modelach będzie montował zarówno ogniwa LFP jak i NMC, jednak pakiety będą miały poprawioną chemię i nowe rozwiązania w zakresie optymalizacji wielkości i masy (m.in. cylindryczne cele zamiast prostopadłościennych).
Solid state – całkowicie półprzewodnikowe akumulatory ze stałym elektrolitem
Od wielu lat co najmniej kilka firm, w tym najwięksi potentaci, jak Samsung czy Panasonic, zapowiadają rewolucję w technologii akumulatorów. Baterie półprzewodnikowe, czyli solid state, to pakiety niekorzystające z ciekłego elektrolitu i zbudowane m.in. z elementów ceramicznych. Piewcy technologii zapowiadają znacznie wyższą gęstość energetyczną (a przez to większy zasięg) i znacznie szybsze ładowanie (od 0 do 80% naładowania w 15 minut). Dodatkowo stały elektrolit ma zdecydowanie wyższe parametry w zakresie ochrony przeciwpożarowej. Wymienione zalety wynikają z zastosowania stałego (zamiast płynnego) elektrolitu pełniącego funkcję separatora pomiędzy anodą a katodą. Toyota w 2020 roku zapowiadała wprowadzenie technologii do produkcji w 20221 roku, jednak ostatni oficjalny komunikat informuje, że pierwszy samochód z tego typu źródłem energii wejdzie do produkcji w 2027 roku.
Semi-Solid state – półprzewodnikowe akumulatory z pół-stałym elektrolitem
W pełni półprzewodnikowe baterie z całkowicie stałym elektrolitem to pieśń przyszłości, jednak chińskie Nio wprowadziło na rodzimym rynku baterię 150 kWh w technologii semi-solid state, czyli wariant pośredni z półstałym elektrolitem. Ogniwa powinny mieć gęstość energetyczną około 360 Wh/kg, co jest fenomenalną wartością, bo dla porównania, baterie sodowo-jonowe mają zazwyczaj 110-160 Wh/kg, litowo-jonowe LFP około 160-175 Wh/kg, LMFP około 195-240 Wh/kg, a większość litowo-jonowych NCA/NCM w granicach wartości 240-300 Wh/kg. Bateria 150 kWh waży jedynie 575 kg, co robi wrażenie, zważywszy, że pakiet 100 kWh ma masę 555 kg (20 kg różnicy). Bateria zapewnia ogromny zasięg, w sprzyjających okolicznościach nawet do 900 km. Idealne rozwiązanie? Niestety koszt samej baterii 150 kWh to około 38 tys. EUR, co stanowi lwią część ceny samochodu. Konkurencja cenowa w sektorze BEV jest coraz bardziej zaciekła, więc żaden producent nie może sobie pozwolić na pozycjonowanie cenowe wysoko ponad konkurencję. Rozwiązaniem jest model wynajmu baterii z miesięczną subskrypcją bez konieczności jej zakupu. Dodatkowo NIO oferuje możliwość wymiany baterii w automatycznych stacjach wymiany. Sam proces wymiany trwa poniżej 5 minut, jest w pełni automatyczny, stacje wymiany są dostępne 7 dni w tygodniu przez 24 godziny na dobę a wymiana jest bezpłatna (płacimy tylko za energię w baterii).
Podsumowanie
Producenci szukają sposobów na podniesienie zasięgu, przy jednoczesnej kontroli kosztów produkcji i zabezpieczeniu się przed ryzykiem braku dostępu do rzadkich pierwiastków. Taką drogę obiera BMW, które wprawdzie zapowiada użycie półprzewodnikowych baterii w przyszłości, ale w tej chwili skupia się na optymalizacji znanej technologii litowo-jonowej NMC i LFP. Mercedes również pozostaje przy tradycyjnych technologiach bateryjnych (optymalizując je) swoją szansę widząc w obniżeniu zużycia energii przez pojazd. Inni producenci jak np. Toyota zapowiadają pełne przejście na wydajną i bezpieczną (ale drogą) technologię półprzewodnikową. Nio ze swoją półprzewodnikową baterią z półstałym elektrolitem wybiera drogę pośrednią, ale dzięki temu ich 150 kWh bateria weszła już do produkcji w Chinach.
Nie bez znaczenia jest też geopolityka i specyfika rynku pierwiastków ziem rzadkich (pierwiastków wbrew określeniu jest pod dostatkiem – przyp. red.). Przywódcy z regionu Europy i USA niechętnym okiem patrzą na chińską hegemonię w obszarze produkcji i rozwoju akumulatorów szukając sposobów na zapewnienie bezpieczeństwa i ciągłości produkcji baterii poza terytorium Chin.
Autor: elektromobilni.pl
