Historia baterii w samochodach elektrycznych

Początkowo, samochody elektryczne korzystały z technologii baterii kwasowo-ołowiowych, które charakteryzowały się niską gęstością energii oraz dużą masą. Pomimo ich niskiej efektywności, technologia ta dominowała przez długi czas, głównie ze względu na niski koszt produkcji. Kolejnym krokiem było wprowadzenie baterii niklowo-metalowo-wodorkowych (NiMH), które oferowały wyższą gęstość energii i lepszą trwałość. NiMH przez wiele lat stanowiły podstawową opcję w pojazdach hybrydowych, lecz ich potencjał był ograniczony, co skłoniło producentów do poszukiwania lepszych rozwiązań dla pojazdów w pełni elektrycznych.

Na początku XXI wieku nastała era baterii litowo-jonowych (Li-ion), które wykazały się znacznie wyższą gęstością energii oraz stabilnością chemiczną. Baterie litowo-jonowe, stosowane początkowo w urządzeniach elektronicznych, stopniowo zyskały uznanie w motoryzacji, otwierając nowe możliwości w zakresie zasięgu oraz wydajności BEV. Pierwszym masowym samochodem elektrycznym wyposażonym w baterię Li-ion był Nissan Leaf, który zadebiutował w 2010 roku. Pojazd ten oferował zasięg około 160 km, co było znaczącym krokiem naprzód, choć wciąż stanowiło ograniczenie dla potencjalnych użytkowników.

Obecnie baterie litowo-jonowe są standardem w większości elektrycznych pojazdów produkcyjnych. Równocześnie rozwijane są ich warianty, takie jak ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) czy litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe (NCA). Różne kombinacje materiałów pozwalają na optymalizację kosztów, trwałości, stabilności oraz bezpieczeństwa baterii, co przekłada się na możliwość lepszego dostosowania parametrów do wymagań konkretnego modelu pojazdu.

Co determinuje zasięg BEV?

Zasięg BEV zależy od kilku kluczowych czynników, wśród których najważniejsze są: gęstość energii, pojemność baterii, efektywność energetyczna, masa pojazdu oraz zastosowanie technologii odzyskiwania energii (rekuperacji). Gęstość energii – wyrażana jako ilość energii przypadająca na jednostkę masy lub objętości baterii – jest jednym z kluczowych parametrów wpływających na zasięg. Wysoka gęstość pozwala na zmniejszenie masy baterii przy zachowaniu odpowiedniej pojemności, co bezpośrednio przekłada się na niższe zużycie energii przez pojazd.

Pojemność baterii, określana w kilowatogodzinach (kWh), wskazuje ilość zgromadzonej energii. Wzrost pojemności wpływa korzystnie na zasięg, jednak zwiększa masę baterii, co może obniżać efektywność energetyczną. Kolejnym aspektem jest architektura pojazdu i jego efektywność, która definiuje, ile energii potrzeba na przemieszczenie pojazdu na danym dystansie. Innowacyjne technologie zarządzania termicznego i napędowego pozwalają na optymalizację tych parametrów. Dziś, baterie o zbliżonej pojemności w porównaniu z tymi sprzed kilkunastu lat, umożliwiają wskutek zmian ich składu i gęstości pokonanie dużo większych odległości. Technologiczny postęp zmienia również (patrz: zmniejsza) ich gabaryty.

Średnie zasięgi BEV na przestrzeni lat

Poniżej przedstawiamy przykłady pojazdów elektrycznych z różnych lat oraz zmiany w zasięgach, które obrazują wpływ rozwoju technologii baterii na możliwości praktyczne BEV. Warto zaznaczyć, że dla zachowania porównywalności, prezentowane modele mają, możliwie jak najbardziej, zbliżoną pojemność baterii.

Dane te obrazują znaczący postęp technologiczny. Rozwój baterii litowo-jonowych oraz optymalizacja parametrów konstrukcyjnych pojazdów przyczyniły się do wzrostu zasięgu BEV o podobnych pojemnościach baterii w ciągu kilkunastu lat.

Zasięg modeli BEV dostępnych na polskim rynku

Powyższe dane pokazują, jak na przestrzeni kilku zaledwie lat zwiększył się zasięg elektryków i jak rosła liczba długodystansowych modeli na naszym rynku.

Nomenklatura zasięgowa

Zasięg BEV jest definiowany według różnych norm testowych, z których najbardziej popularne to WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) oraz EPA (Environmental Protection Agency). WLTP jest stosowany głównie w Europie i zastąpił starszy, mniej precyzyjny standard NEDC (New European Driving Cycle). WLTP uwzględnia bardziej realistyczne scenariusze jazdy, takie jak wyższe prędkości i bardziej dynamiczne przyspieszenia, dzięki czemu lepiej odzwierciedla rzeczywiste warunki drogowe. Standard EPA, stosowany głównie w Stanach Zjednoczonych, jest bardziej rygorystyczny niż WLTP, co skutkuje niższymi wartościami deklarowanego zasięgu dla tego samego modelu samochodu. EPA opiera swoje testy na mieszance jazdy miejskiej i autostradowej, co sprawia, że jego wyniki są często bliższe rzeczywistej wydajności w codziennym użytkowaniu.

Warto także wspomnieć o standardach zasięgowych obowiązujących w Azji. Na przykład Chiny stosują własny standard testowy o nazwie CLTC (China Light-Duty Vehicle Test Cycle), który w porównaniu do WLTP i EPA ma tendencję do podawania wyników bliższych normie NEDC, co może być mylące w kontekście rzeczywistej wydajności w zróżnicowanych warunkach jazdy.

Nowe rozwiązania i badania technologii bateryjnej

Obecnie technologia litowo-jonowa pozostaje dominująca, jednak pojawiają się alternatywy oraz usprawnienia, które mogą zrewolucjonizować rynek baterii do BEV. Prace badawcze prowadzone są nad bateriami litowo-żelazowo-fosforanowymi (LFP), które cechują się dłuższą trwałością i wyższym poziomem bezpieczeństwa. Baterie LFP, choć mają niższą gęstość energii, są tańsze i bardziej stabilne, co sprawia, że znajdują zastosowanie w pojazdach o średnim zasięgu oraz w segmencie pojazdów masowych.

Kolejną technologią są baterie litowo-niklowo-kobaltowo-manganowe (NCM) i litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe (NCA), które oferują wyższą gęstość energii i są stosowane głównie w pojazdach premium o większych wymaganiach zasięgowych. Jednakże problemy z dostępnością kobaltu oraz jego pomimo spadku na przestrzeni ostatnich lat wysoką ceną (rynkowa cena kobaltu wynosi obecnie ok. 25 000 USD za tonę), sprawiają, że trwają intensywne prace nad zmniejszeniem zawartości kobaltu lub jego całkowitą eliminacją.

Na horyzoncie rysuje się także perspektywa baterii solid-state, które mogą okazać się przełomowe. Baterie te, wykorzystujące stały elektrolit, charakteryzują się znacznie wyższą gęstością energii i bezpieczeństwem dzięki wyeliminowaniu płynnych elektrolitów, które mogą być źródłem awarii lub pożarów. Wiodące firmy motoryzacyjne i technologiczne, jak Toyota, Volkswagen, oraz QuantumScape, przewidują, że baterie solid-state wejdą do masowej produkcji w ciągu najbliższych kilku lat, co może pozwolić na zasięgi przekraczające 800 km na jednym ładowaniu.

Innowacyjne podejścia do konstrukcji baterii

Poza rozwojem baterii solid-state, które oferują większą gęstość energii, wiele ośrodków badawczych koncentruje się na bateriach litowo-metalowych. Konstrukcja ta wykorzystuje czysty lit na anodzie, co potencjalnie podwaja gęstość energii w stosunku do tradycyjnych baterii Li-ion. Jednak lit-metal ma tendencję do tworzenia dendrytów – cienkich struktur litowych, które mogą przebijać separator i prowadzić do zwarć, a w skrajnych przypadkach do pożaru.

W celu rozwiązania tego problemu trwają badania nad zastosowaniem nowych elektrolitów, które mogą stabilizować reakcje litowe, co umożliwiłoby bezpieczne i długotrwałe użytkowanie takich baterii.

Firmy takie jak Sion Power czy Solid Power badają tego typu rozwiązania, a ich eksperci przewidują, że prototypy komercyjne mogą pojawić się na rynku w perspektywie 5-10 lat, oferując zasięgi powyżej 1000 km na jednym ładowaniu.

Nowe materiały katodowe i ich potencjał

Kolejną obiecującą technologią są katody oparte na siarce, które pozwalają na jeszcze większą gęstość energii w porównaniu z obecnie stosowanymi materiałami, jak tlenki niklu, kobaltu czy manganu. Baterie litowo-siarkowe (Li-S) mają potencjał do czterokrotnego zwiększenia pojemności w stosunku do standardowych baterii Li-ion, co może prowadzić do ogromnego wzrostu zasięgu przy zachowaniu niskiej masy. Niestety, baterie Li-S mają problem z krótką żywotnością, z powodu szybkiej degradacji katody siarkowej. Firmy, takie jak Oxis Energy, inwestują w rozwój stabilnych katod siarkowych, choć pełna komercjalizacja tej technologii wymaga jeszcze kilku lat badań.

Wpływ technologii szybkiego ładowania na użytkowość BEV

Zasięg BEV, to nie jedyny parametr determinujący ich funkcjonalność. Równie ważna jest możliwość szybkiego ładowania, które pozwala na ograniczenie czasu postoju na stacjach ładowania. W tym zakresie nastąpił ogromny postęp dzięki rozwojowi technologii ładowania wysokiej mocy (HPC, High Power Charging).

Nowoczesne systemy ładowania o mocy 350 kW umożliwiają ładowanie baterii od 10% do 80% w zaledwie 15-20 minut, co znacząco poprawia wygodę użytkowania BEV na długich trasach. Jednakże technologia ta wymaga baterii o odpowiedniej odporności termicznej i architekturze pozwalającej na szybkie odprowadzanie ciepła. Firmy, takie jak Porsche czy Tesla, wprowadzają na rynek pojazdy z zaawansowanymi systemami zarządzania termicznego, które pozwalają na bezpieczne ładowanie przy wysokich mocach bez ryzyka przegrzania.

Recykling nadal wyzwaniem

Wraz z wzrostem liczby produkowanych BEV rośnie również liczba zużytych baterii, które muszą być odpowiednio przetwarzane. Recykling baterii stał się priorytetem dla przemysłu motoryzacyjnego, a nowoczesne technologie recyklingu pozwalają na odzyskiwanie kluczowych surowców, takich jak kobalt, nikiel i lit. Przedsiębiorstwa, takie jak Northvolt i Umicore, rozwijają technologie umożliwiające zamknięcie obiegu materiałowego, co ogranicza wpływ produkcji baterii na środowisko.

Dodatkowo, rosnący nacisk na zrównoważony rozwój stymuluje badania nad alternatywnymi materiałami katodowymi, które nie wymagają stosowania metali rzadkich, jak kobalt. Przykładem są katody z dużym udziałem niklu, które oferują wysoką gęstość energii przy niższych kosztach środowiskowych i finansowych.

Prognozy na przyszłość – granica zasięgu BEV

Granica zasięgu BEV nieustannie się przesuwa. W perspektywie średnioterminowej (do 2030 roku) analitycy BloombergNEF przewidują, że standardowy zasięg wyniesie około 600-700 km. Z kolei dzięki wdrożeniu baterii solid-state oraz innowacyjnym rozwiązaniom litowo-metalowym, możliwe jest osiągnięcie zasięgów powyżej 1000 km. Taki poziom zapewni użytkownikom komfort zbliżony do tradycyjnych samochodów spalinowych i wyeliminuje większość barier psychologicznych związanych z lękiem przed wyczerpaniem baterii. Jednakże zasięg to nie jedyny cel rozwoju. Kluczowe będzie również poprawienie dostępności szybkiego ładowania oraz zapewnienie długowieczności baterii, co może sprawić, że użytkownicy BEV będą w stanie korzystać z pojazdów bez konieczności wymiany baterii przez cały okres ich eksploatacji.

Technologia baterii do samochodów elektrycznych przeszła długą drogę od czasów kwasowo-ołowiowych ogniw, które uniemożliwiały osiągnięcie praktycznego zasięgu. Dziś, dzięki bateriom litowo-jonowym i ich licznym wariantom, BEV oferują zasięgi przekraczające 400-500 km, co jest wynikiem spełniającym potrzeby większości kierowców. Intensywny rozwój alternatyw, jak akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe, solid-state, oraz przyszłych technologii litowo-metalowych, wskazuje na perspektywy dalszej ekspansji tego rynku i wzrostu możliwości praktycznych BEV.

Maksym Berger