Zdradzamy nad czym pracują producenci akumulatorów!

Polska jest drugim co do wielkości producentem baterii na świecie. Akumulatory stanowią już ponad 2,4% wartości naszego eksportu. Nic dziwnego, bowiem wartość tego sektora produkcji w naszym kraju z 1 mld zł w 2017 r. wzrosła do ponad 38 mld zł w ciągu zaledwie 6 lat. Chodzi przede wszystkim o akumulatory do elektrycznych samochodów, ale na razie korzystają one z tych samych technologii, co baterie do hulajnóg i rowerów. Dlatego w praktyce wszyscy producenci akumulatorów stoją dziś przed takimi samymi wyzwaniami.

Zwiększenie gęstości energetycznej baterii i redukcja ich masy

Kluczowym dla rozwoju branży bateryjnej jest zwiększanie gęstości energetycznej ogniw. Parametr ten najprościej wytłumaczyć jako zdolność do magazynowania energii w jednostce masy. Im jest ona wyższa, tym pojemniejsza będzie bateria przy stałej masie. I na odwrót: baterie o dużej gęstości energetycznej mogą posiadać mniejszą masę przy takiej samej wydajności.

Gęstość energetyczna jest kluczowa w samochodach elektrycznych, bo ich pakiety ogniw ważą kilkaset kilogramów (np. 480 kg w Tesli model 3), a w e-cieżarówkach mogą być tak wielkie, że ograniczają ładowność i tonaż. Jest to także istotny parametr w konstrukcjach elektrycznych rowerów i hulajnóg.

Baterie do hulajnóg i rowerów elektrycznych mogą ważyć nawet 10 kg, co przy całkowitej masie tych pojazdów stanowić może nawet 40% wagi. Lżejsze baterie ułatwiają transport małych urządzeń, w tym także komputerów.

Gęstość energetyczna baterii wzrasta od początków ich produkcji. Pierwsze ogniwa Li-ion / Li-Poly, które pojawiły się na rynku 20 lat temu, dysponowały gęstością na poziomie 120 Wh/kg. Współczesne modele oferują już 250-300 Wh/kg, zaś nowe baterie chińskiego producenta CATL oferują aż 540 Wh/kg. Szacuje się, że baterie aluminiowo-siarkowe osiągną gęstość energetyczną na poziomie nawet 1400 Wh/kg. Technologia ta jest jednak nadal w fazie testów.

Wydłużenie żywotności akumulatorów

Wydłużenie żywotności akumulatorów pozwoli obniżyć – pośrednio – koszty ich utylizacji, które przynajmniej częściowo wliczone są w cenę baterii. Dlatego im dłużej będziemy korzystać z ogniw, tym w ostatecznym rozrachunku będą one tańsze. Z tego właśnie powodu wydłużenie żywotności baterii jest jednym z wyzwań dla ich producentów. A zależy ona od technologii produkcji akumulatorów oraz sposobu ich użytkownika (zwłaszcza ładowania). Oczywiście producenci nie mają bezpośredniego wpływu na tę drugą grupę czynników, więc zajmują się pierwszą.

Ocenia się, że aktualnie standardowa bateria litowo-jonowa do hulajnogi czy roweru elektrycznego posiada żywotność na poziomie od 500 do 1000 cykli ładowania. W praktyce oznacza to ok. 2 – 3 lata eksploatacji przy codziennym korzystaniu z urządzenia, jednak z czasem wydajność i pojemność ogniw zauważalnie spada.

Im częściej będziemy chcieli korzystać z bateryjnych urządzeń, tym większą wagę będziemy przywiązywać do żywotności ich akumulatorów. Coraz większą popularność zdobywają akumulatory LFP (LiFePo4, czyli litowo-żelazowo-fosforatowe), które cechują się żywotnością na poziomie 3000-5000 cykli. Najbardziej obiecujące pod tym względem wydają się wciąż jeszcze prototypowe akumulatory sodowe, których żywotność ma przekraczać 10 000 cykli.

Obniżenie kosztów produkcji przez wykorzystanie nowych technologii

Na atrakcyjność, a więc i konkurencyjność na rynku, wpływa także cena baterii, która przy tak dużej konkurencji wynika głównie z kosztów pozyskania materiałów do ich produkcji. Wystarczy zauważyć, że od 2020 roku cena litu wzrosła prawie 10-krotnie osiągając w 2022 roku rekordowe 80 000 dolarów za tonę. Przekłada się to na cenę samych ogniw oraz magazynowej w nich energii.

Na przykład koszt 1 kWh we współczesnych bateriach litowo-jonowych to średnio ok. 150 dolarów. Zastosowanie nowoczesnych technologii może obniżyć go do nawet 15 dol. za kWh (akumulator węglowo-tlenowy). Najwięcej badanych obecnie innowacyjnych rozwiązań dotyczy zastosowań w e-samochodach oraz magazynach energii. Można jednak zakładać, że z czasem zostaną one przynajmniej częściowo zaadoptowane w bateriach dla mniejszych urządzeń.

Rozwój infrastruktury ładowania. Skrócenie czasu ładowania.

Nie jest tajemnicą, że rozwój elektromobilności, zwłaszcza w Polsce, spowalnia wciąż niedostateczna infrastruktura ładowania. Stacji ładowania jest wciąż za mało, w szczególności w pobliżu tras oraz centrów miast.

Niemniej, ta branża rozwija się bardzo dynamicznie. Według raportu “Mapa Elektromobilności”, w Polsce jest już 2885 stacji ładowania i co miesiąc przybywa ich po kilkadziesiąt.

Jednym z nowych graczy jest firma Aster Streams, która planuje zbudować w Polsce 1000 stacji ładowania do końca 2026 roku. Kibicujemy!

Zwiększenie bezpieczeństwa użytkowania baterii

Tylko w 2020 roku odnotowano ponad 10 000 przypadków awarii baterii w elektrycznych hulajnogach, które doprowadziły do pożarów. W kwietniu br. w pożarze spowodowanym uszkodzoną baterią e-roweru zginęła w USA dwójka dzieci. Im więcej urządzeń akumulatorowych będziemy użytkować, tym (statystycznie) częściej wypadki tego rodzaju będą się zdarzały. Dlatego dużym wyzwaniem dla przemysłu bateryjnego jest zwiększenie bezpieczeństwa, przez obniżenie ryzyka awarii akumulatorów.

To oczywiste, że producenci baterii nie są w stanie wyeliminować przypadków uszkodzeń ogniw przez użytkownika czy też jego błędów w przechowywaniu i ładowaniu akumulatorów. Mogą jednak sięgać po technologie bezpieczniejsze niż litowo-jonowa, np. stały elektrolit (baterie solid state), które nie zawierają organicznych rozpuszczalników w elektrolicie lub akumulatory LFP, wykorzystujące stabilną chemię.

Dopóki jednak nowatorskie rozwiązania nie staną się codziennością, zadbać należy o polepszenie kontroli jakości współczesnych baterii w celu wyeliminowania np. wadliwych komponentów lub błędów w ich montażu. Konieczna jest również edukacja użytkowników wszystkich pojazdów bateryjnych w zakresie bezpieczeństwa ich użytkowania, przechowywania oraz ładowania.

Konieczność ciągłych badań i rozwoju dynamicznego rynku

W kontekście omawianych wyzwań pojawia się jeszcze jedno, które de facto łączy w sobie wszystkie pozostałe. Chodzi o konieczność ciągłego rozwoju technologii akumulatorów, poprzez poszukiwanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych, ale przede wszystkim także innowacyjnych materiałów.

Widać to chociażby w rozwoju samej technologii Li-ion, w której zastosowanie nowych materiałów takich, jak katody z tlenkiem litu i żelaza umożliwiły zwiększenie gęstości energetycznej już o 100% (w stosunku do pierwszych akumulatorów z lat 90. ubiegłego wieku).

Równie ważna wydaje się możliwość rezygnacji z wykorzystania problematycznych materiałów takich, jak lit, kobalt, miedź czy nikiel. W tym temacie wystarczy wspomnieć chociażby technologię akumulatorów sodowo-jonowych, która pomimo gęstości zbliżonej do Li-ion ma spore szanse zrewolucjonizować rynek e-pojazdów m.in przez obniżenie kosztów produkcji dzięki zastosowaniu tańszego i łatwiej dostępnego sodu.

Rozporządzenie bateryjne UE i jego skutki

10 lipca 2023 roku UE przyjęła rozporządzenie w sprawie baterii i zużytych baterii, od razu okrzyknięte “rozporządzeniem bateryjnym”.

Rozporządzenie bateryjne stawia przed producentami akumulatorów wiele wyzwań. Co ważne, nowe przepisy dotyczą baterii do wszystkich urządzeń, a więc nie tylko do pojazdów, ale także do telefonów, laptopów czy magazynów energii. Dodatkowo wprowadzają do nomenklatury nową kategorię: “baterie LMT”, którymi są akumulatory do lekkich urządzeń transportowych, takich jak elektryczne skutery, hulajnogi i rowery.

Do głównych wymogów rozporządzenia bateryjnego należy między innymi projektowanie urządzeń w sposób ułatwiający wymianę baterii. Chodzi o to, aby ich użytkownik poradził sobie z demontażem akumulatora, co ma ułatwić jego przekazanie do recyklingu. Ponadto rozporządzenie bateryjne wyznacza również limity zbiórki zużytych baterii przenośnych (do 45% w 2023 r., 63% w 2027 r. i 73% w 2030 r.,) oraz akumulatorów LMT (do 51% w 2028 r. i 61% w 2031 r.).

Rozporządzenie bateryjne ma umożliwić większą kontrolę nad eksploatacją akumulatorów, ale przede wszystkim zwiększyć skalę recyklingu baterii i odzysku z nich cennych materiałów, których wydobywanie odciska piętno na naturalnym środowisku.

W dłuższej perspektywie przemysł bateryjny zyska na większej skali zbiórki i recyklingu ogniw. Największym utrudnieniem wydaje się zatem wymóg ułatwienia wymiany baterii, ponieważ może on ułatwić konkurencji przyjęcie części odbiorców.

Posumowanie

Łatwo zauważyć, że wyzwania, przed którymi już dziś stoją producenci baterii, jutro mogą się okazać czynnikami hamującymi ekspansję e-pojazdów i popularność innych elektrycznych urządzeń. Czas pokaże, jak z problemami tymi poradzą sobie najwięksi na rynku oraz innowacyjne start-upy. Dwie kwestie są jednak pewne: wzrost wartości sektora produkcji baterii przyspiesza z roku na rok i nie widać końca tego trendu.