W ostatnich dwóch dekadach można wymienić mnóstwo rozwiązań technicznych, w których dokonano przełomu, także w motoryzacji. Jednak w przypadku elektromobilności z czymś się zacięliśmy. Wszystkie seryjnie produkowane samochody elektryczne są dziś wyposażone w akumulatory litowo-jonowe, czyli rozwiązanie wdrożone komercyjnie 30 lat temu (nie w samochodach, lecz w kamerze Sony CCD TR1 z 1991 roku). Na horyzoncie jednak już pojawia nowy typ baterii z ogniw Solid State, czyli półprzewodnikowych akumulatorów ze stałym elektrolitem. Rewolucja? Być może, kuszą ogromne korzyści, ale jest też ryzyko.
Cykl ELEKTROMOBILNOŚĆ – infrastruktura ładowania wąskim gardłem transformacji
Gęstość, żywotność, pojemność i szybsze ładowanie
Te cechy to cel wielomiliardowych inwestycji branży motoryzacyjnej w technologie dotyczące akumulatorów półprzewodnikowych ze stałym elektrolitem. Chodzi o to, by akumulatory były lżejsze, bardziej pojemne i oferowały możliwość większego upakowania energii. To nie jest trywialne zadanie. Niemniej producenci ostro prą ku komercjalizacji tej technologii. BMW w sierpniu bieżącego roku informowało, że pracuje nad prototypami elektryków z ogniwami solid state, wcześniej współpracą z “ważnym producentem w branży motoryzacyjnej” pochwalił się QuantumScape – firma specjalizująca się w ogniwach ze stałym elektrolitem. Na początku października swoimi jeżdżącymi prototypami aut z ogniwami solid state pochwaliła się Toyota, pod koniec października gigant z branży akumulatorów SK Innovation ogłosił, że wchodzi w ogniwa półprzewodnikowe ze stałym elektrolitem, testami tych technologii pochwalił się niedawno także Hyundai Motor Group (marki Hyundai i KIA). Nad nowymi typami baterii pracują też inni – General Motors, Ford, Grupa VW AG etc., łączy ich jedno – na komercyjny produkt w postaci osobowego samochodu z akumulatorami solid state poczekamy. Nie, nie miesiące, ale lata.
Co prawda chiński producent aut elektrycznych – Nio – deklaruje, będzie dysponować gotową technologią już pod koniec przyszłego roku, ale pozostali gracze na rynku już są ostrożniejsi w swoich deklaracjach, Toyota i VW mówią o 2025 roku, BMW – po 2025 roku, Renault-Nissan po 2026, tak samo Stellantis, Daimler daje sobie 7 lat (2028), a Hyundai – do końca dekady. Chińczycy w ostatnich latach wyrośli na światową potęgę, także w technologiach, ale czy to oni będą pierwsi? Eksperci mają wątpliwości.
Z czym jest problem?
Niezależni eksperci, pracownicy naukowi placówek badawczych specjalizujących się w technologiach akumulatorowych są jednak ostrożniejsi, wielu z nich ma wątpliwości, czy faktycznie działające ogniwa półprzewodnikowe ze stałym elektrolitem pojawią się w oferowanych klientom autach elektrycznych do końca bieżącej dekady.
Na przykład, jak podaje Automotive News Europe, jeden z wiodących, brytyjskich instytutów badawczych specjalizujących się w interesujących nas tu technologiach – Faraday Institution – szacuje, że w 2030 roku baterie półprzewodnikowe będą stanowić mniej niż 5 procent wszystkich akumulatorów trakcyjnych używanych w zeroemisyjnym transporcie.
Na szereg problemów związanych ogniwami półprzewodnikowymi zwracają uwage również autorzy obszernego raportu na temat technologii półprzewodnikowej w akumulatorach przygotowanego przez francuską firmę analityczną Yole Developpement. Po pierwsze: kwestia znalezienia odpowiedniego materiału na elektrolit, który przenosi jony pomiędzy anodą a katodą w ogniwie. Wszystkie obecne rozwiązania wiążą się z niedopuszczalnymi kompromisami pomiędzy przewodnością jonową, żywotnością baterii, a bezpieczeństwem użytkowania.
Z pewnością fajnie byłoby mieć baterię ładującą się tak szybko jak tankowanie na stacji, ale nie za cenę ryzyka, że np. lżejszy akumulator zdolny pomieścić energię umożliwiająca przejechanie 2000 km na jednym ładowaniu, po roku użytkowania będzie już u kresu swojej żywotności. Milan Rosina, jeden z współautorów rzeczonego raportu Yole Developpement mówi wprost: “Dzisiaj nie mamy kombinacji materiałów, która byłaby kompatybilna z produkcją wielkoseryjną“. Np. elektrolity siarczynowe, nad którymi pracują Toyota, Samsung i inne firmy, mogą wytwarzać toksyczny siarkowodór (H2S). Dodatkową komplikacją jest fakt, że eksperymentalne ogniwa muszą być montowane w próżni, co jest nonsensem w produkcji masowej. Na dodatek dziś dostępne stałe materiały mogące pełnić funkcję elektrolitu są bardzo kruche.
Poszukiwania tych materiałów siłą rzeczy muszą potrwać, stąd liczne inwestycje dużych graczy w startupy o różnych podejściach technologicznych. Sami rozumiecie – wiemy co chcemy osiągnąć, ale wciąż nie wiemy, jakie materiały pozwolą nam uzyskać cel, prognozowanie jakichkolwiek dat w takiej sytuacji jest trochę jak wróżenie z fusów. Jednak zdecydowanie warto próbować, bo…
Jest o co walczyć
Zdaniem Bloomberg NEF baterie półprzewodnikowe produkowane na dużą skalę pozwolą na obniżenie kosztów wytwarzania akumulatorów trakcyjnych o 60 proc. w stosunku do dziś wytwarzanych akumulatorów litowo-jonowych. To oczywista zachęta dla producentów, ale nie ma się co łudzić, że auta elektryczne stanieją o 60 proc. To się nie stanie, jednak dla konsumentów korzystających z elektromobilności również ta technologia niesie znaczne korzyści.
Zdaniem ekspertów z Faraday Institute nagrodą za poszukiwanie optymalnego materiału dla stałego elektrolitu może być zdolność magazynowania o 70 proc. większej energii na jednostkę objętości w porównaniu z aktualnie wykorzystywanymi akumulatorami litowo-jonowymi. Największym akumulatorem z jakim mieliśmy do czynienia w aucie elektrycznym, był potężny moduł o pojemności 111,5 kWh brutto – taką pokaźną baterią dysponował BMW iX xDrive 50. Jak łatwo policzyć, potencjał ogniw ze stałym elektrolitem pozwolił by wpakować do tego auta aż 189,5 kWh. A to dopiero początek, bo każda technologia – co doskonale widać po dzisiejszych akumulatorach litowo-jonowych – ma jeszcze potencjał rozwojowy.
Dyrektor techniczny w Mercedes-Benz, Sajjid Khan, już w lipcu br. podczas eventu Daimler EV wyjaśniał, że Mercedes-Benz EQS – najbardziej zaawansowany technologicznie samochód elektryczny marki – ma gęstość energetyczną 550 Wh/litr. Baterie półprzewodnikowe zdaniem Khana podwoją pojemność energetyczną i zmniejszą wagę w tej samej objętości, a także pozwolą na więcej cykli szybszego ładowania. Co ciekawe, Daimler już teraz wytwarza testową serię elektrycznych autobusów eCitaro G, w których pracują ogniwa francuskiej firmy BlueSolutions, ale to rozwiązanie niepraktyczne w autach osobowych, to akumulatory te muszą być wstępnie podgrzane. Już dziś szacuje się, że możliwa do uzyskania gęstość energetyczna ogniw ze stałym elektrolitem to 1300 Wh/litr.
Zalety ogniw półprzewodnikowych dostrzega też Volkswagen. Zdaniem przedstawicieli marki elektryczny SUV ID.4 z akumulatorem o pojemności 77 kWh w najbardziej sprzyjających warunkach potrzebuje co najmniej 25 minut, aby naładować się z 10 proc. do 80 proc. Obecność akumulatora półprzewodnikowego pozwoliła by skrócić ten czas do zaledwie 12 minut.