Baterie jutra – Jak te 9 innowacji zmieni oblicze elektromobilności? 

Pomimo ograniczeń, które stopniowo, acz powoli pokonują konstruktorzy akumulatorów Li-Ion, elektromobilność zyskuje na popularności i trudno wyobrazić sobie odwrócenie tego trendu. Co więcej, wydajnych i tanich ogniw potrzebujemy już nie tylko w elektrycznych pojazdach i hulajnogach czy pojazdach EV, ale chociażby w przydomowych instalacjach OZE. Współczesna technologia litowo-jonowa wydaje się osiągać maksimum w zakresie gęstości energii. Nie ma jednak powodów do zmartwień, ponieważ już za rok lub dwa ogniwa Li-Ion będą wspierane przez inne technologie, których możliwości dziś jeszcze wydają się wręcz nierealne. Poznaj największe innowacje w branży ogniw elektrycznych.

Baterie stanu stałego mają zrewolucjonizować świat

Od lat wyobraźnię entuzjastów elektromobilności rozpala technologia ogniw ze stałym elektrolitem (All Solid-State Battery, ASSB), który zapewnia wysoką gęstość energii. Poza tym w 2022 r. startup z Doliny Krzemowej Quantum Scape zbudował akumulator stanu stałego, który do 80% ładuje się w zaledwie 15 minut i pozwala przejechać samochodem EV 640 km na jednym ładowaniu. 

Ogniwo to wykorzystuje dedykowany materiał ceramiczny, którego skład objęty jest tajemnicą. Półprzewodnik zamontowano pomiędzy anodą i katodą, zastępując nim ciekły elektrolit, a jego struktura umożliwia jonom przepływ bez powodowania zwarć. Technologia jest obiecująca, ale na pełne wykorzystanie jej możliwości w e-samochodach przyjdzie nam poczekać co najmniej do 2025 roku. 

Nad bateriami półprzewodnikowymi pracuje także Nissan oraz Toyota, która w ramach swojego wartego 13,6 mld dolarów programu badawczego zapowiedziała montaż ogniw stanu stałego w swoich pojazdach już od 2026 r. 

Trudno się temu dziwić, jeśli spojrzymy na możliwości akumulatorów półprzewodnikowych, które oferują wolumetryczną gęstość energii na poziomie nawet 1000 watogodzin na litr (najlepsze ogniwa litowo-jonowe osiągają 600 watogodzin na litr). Przy czym dużo ważniejsza jest gęstość grawimetryczna, która w akumulatorach NCM wynosi ok. 250 Wh/kg, a w SSB jest ponad dwukrotnie wyższa. Dzięki ogniwom stanu stałego zasięg pojazdu EV zrównałby się z osiągami auta z silnikami spalinowymi. 

Dodatkowo akumulatory półprzewodnikowe nie posiadają ciekłego elektrolitu, będącego po prostu rozpuszczalnikiem organicznym, czyli węglowodorem, który podczas pożaru gwałtownie się spala. Niemniej jednak w akumulatorach solid state również obecne są systemy monitoringu temperatury, które zapobiegają przegrzaniu ogniwa i jego degradacji. Baterie ASSB są również mniej podatne na tworzenie się dendrytów, które po wielu cyklach ładowania zwykłej baterii litowo-jonowej są przyczyną utraty mocy, powodują zwarcia, a w ich konsekwencji pożary. 

Dendryty to iglaste struktury, które tworzą się wewnątrz ogniw Li-Ion na anodzie. Powstają z kryształków litu, które wytrącają się w ciekłym elektrolicie. Zastosowanie półprzewodnikowych warstw przewodzących, które dzięki tzw. barierze Schottky’ego blokują przemieszczanie się elektronów, jednocześnie umożliwiając przejście jonów litowych, zapobiega gromadzeniu się kryształków litu, w efekcie czego nie powstają dendryty. 

Niestety, ogniwa półprzewodnikowe w trakcie eksploatacji narażone są na wzrost wewnętrznego ciśnienia, co wymusi skomplikowanie ich konstrukcji i sprawi, że docelowy koszt pakietu takich akumulatorów spadnie „tylko” do 65 dol / kWh z ok. 150 dol / kWh w standardowych akumulatorach Li-Ion (ceny z 2023 r.). 

Ogniwa krzemowe trzeba będzie mocno ściskać

Kilka innych startupów m.in. z Doliny Krzemowej pracuje nad wykorzystaniem krzemu zamiast grafitu w anodach akumulatorów, co zapewniłoby osiągi przewyższające nawet technologię stałego elektrolitu. Baterie krzemowe imponują, ponieważ do 80% mogą ładować się w czasie nieco ponad 5 minut, a 98% naładowania osiągają w niespełna 10 minut. Co więcej, po 1000 cyklach ich sprawność wynosi aż 93%. 

Problem z bateriami krzemowymi polega na tym, że w trakcie pracy zwiększają swoją objętość aż trzykrotnie. Dlatego w działających egzemplarzach testowych wbudowane są specjalne struktury ze stali nierdzewnej, dzięki którym pęcznienie trakcie 500 cykli nie przekracza 2% objętości. Wydaje się, że to rozwiązanie jest wystarczające, bo Porsche zapowiedziało wykorzystanie baterii krzemowych od 2024 roku, a Mercedes-Benz od 2025 r. chce montować te ogniwa w luksusowych modelach. 

Bateria strukturalna: ogniwo częścią karoserii lub budynku

Innowacje w dziedzinie akumulatorów nie dotyczą wyłącznie ich gęstości energii czy ceny. Problemem współczesnych ogniw są bowiem także duże wymiary, a przede wszystkim masa (np. akumulatory w Tesli Model 3 ważą aż 480 kg i przy gęstości energii 150 Wh/kg zajmują objętość 0,40 m3). Z punktu widzenia konstrukcyjnego taka bateria nie pełni żadnej funkcji, dlatego Naukowcy z Chalmers University of Technology pracują nad ogniwami strukturalnymi z włókien węglowych. 

Modele testowe mają gęstość zaledwie 24 Wh/kg, ale szacuje się, że mogą osiągnąć nawet 75 Wh/kg. Z jednej strony to wciąż mniej niż współczesne baterie litowo-jonowe, ale z drugiej ogniwa strukturalne posiadają wytrzymałość zbliżoną do aluminium, dzięki czemu nie są „bezużyteczną masą”, bo mogą pełnić funkcję nośną w nadwoziu pojazdu czy konstrukcji budynku. 

Akumulatory sodowe, czyli solanka zamiast litu

Innowacje w dziedzinie ogniw zmierzają również w kierunku wyeliminowania z ich konstrukcji litu, dzięki czemu można by całkowicie zrezygnować z niklu, manganu i kobaltu. Pozyskiwanie tych materiałów jest kłopotliwe i generuje ślad węglowy. Dlatego zamiast litu, eksperymentuje się na przykład z sodem. Może on pochodzić z odsalania wody, co sprawia, że produkcja baterii tego typu na skalę przemysłową zwiększyłaby konkurencyjność tego procesu względem wykorzystywanej obecnie metody odwróconej osmozy.

Baterie sodowe rozwija m.in. kalifornijska firma Natron. Ogłosiła ona, że ich ogniwa posiadają ponad 10-krotnie większą żywotność, niż współczesne akumulatory Li-Ion. Ich czas ładowania do 99% wynosi zaledwie 8 min, żywotność przekracza 50 000 cykli, a dodatkowo są wyjątkowo stabilne termicznie. Wady? Znacznie mniejsza gęstość niż w bateriach litowo-jonowych. Pomimo tego baterie sodowe staną się popularne w pojazdach mikromobilności, ponieważ tam zamiast dużych zasięgów znacznie ważniejszy jest w niski koszt baterii, który w przypadku technologii Na-Ion prezentuje się bardzo korzystnie.

Chińskie “skondensowane baterie”

Chińska firma CATL zapowiedziała rychłe uruchomienie masowej produkcji nowej “skondensowanej baterii”, o gęstości energii aż 500 Wh / kg. Co więcej, ogniwa tego typu ładują się z duża szybkością. Producent zapewnia, że 10-minutowe ładowanie elektrycznego samochodu wyposażonego w taką baterię, pozwoli na przejechanie nawet 400 km. Olbrzymia gęstość baterii CATL umożliwiłaby ich zastosowanie również w elektrycznych samolotach pasażerskich. 

Tak rewelacyjne parametry udało się osiągnąć dzięki zmianom konstrukcyjnym, obejmującym głównie zastosowanie nowego typu elektrolitu oraz nowych materiałów katody i anody. Innowacyjne baterie chińskiego producenta jeszcze w tym roku powinny zostać zastosowane w pierwszych modelach elektrycznych samochodów. Ocenia się, że zrewolucjonizują branżę e-pojazdów. 

Ogniwa fluorkowe. 8000 km zasięgu i miesiące bez ładowania smartfona 

Lit porzucić można także na rzecz znacznie tańszego fluorku, dzięki któremu ogniwa gromadziłyby nawet 10 razy więcej energii, niż współczesne Li-Ion. Szacuje się, że baterie fluorkowe (FIB) zapewniłyby pojazdom EV zasięgi rzędu 8 tys. km na jednym ładowaniu, a zastosowane w smartfonach pozwalałyby zapomnieć o ładowarce nawet na ponad miesiąc. Niestety, na razie znamy niewiele materiałów zdolnych do przewodzenia jonów fluoru, chociaż z oczywistych powodów trwają intensywne prace nad ich odkryciem (obiecujący jest ZnTiF6). 

Baterie cynkowe oraz aluminiowo-siarkowe

Kolejnym zamiennikiem litu może być cynk. Problemem baterii cynkowych są jednak wewnętrzne zwarcia, które mogą prowadzić do pożarów, a powodują je znane już dendryty. Specjalny skład chemiczny elektrolitu ma ograniczyć ich powstawanie. Zastosowanie glikolu etylenowego oraz tetrafluoroboranu cynku sprawiło, że uzyskany elektrolit jest niepalny i zachowuje sprawność zakresie temperatur od – 30℃ do 40℃.

Alternatywą dla ogniw litowych mogą być również baterie aluminiowo-siarkowe. Do ich konstrukcji używa się materiałów tanich, a egzemplarze testowe osiągają ładują się do pełna w czasie poniżej jednej minuty. Niestety, dla pełnej sprawności muszą być utrzymywane w temperaturze aż 110℃. 

Pocieszający jest fakt, że podczas pracy wydzielają ciepło, które może być wykorzystane do ich ogrzania. Co więcej, teoretycznie baterie te mogą osiągnąć gęstość bliską 1400 Wh/kg, czyli aż pięć razy więcej, niż najwydajniejsze baterie litowo-jonowe. Wspomniany Akumulator Tesli Model 3 w technologii aluminiowo-siarkowej nie ważyłby więc 480 kg, ale tylko 96 kg.

Akumulator węglowo-tlenowy, czyli Houston mamy problem?

Obiecująco zapowiada się również wykorzystanie technologii ogniw węglowo-tlenowych. Zaprojektowano ją w NASA do celów zamienienia bogatej w CO2 atmosfery Marsa w powietrze nasycone tlenem. Po dostarczeniu napięcia ogniwo węglowo-tlenowe rozszczepia dwutlenek węgla na tlen i tlenek węgla, ale proces ten działa również w drugą stronę, dzięki czemu z CO i O2 generowany jest prąd. 

Ogniwa tego typu mają kosztować zaledwie 15 dolarów za kWh i oferować gęstość 740 Wh/l (dla porównania bateria Tesli Model 3 LR kosztuje ok. 151 USD / kWh przy gęstości 247 Wh/l). Dzięki temu będą trzykrotnie mniejsze od porównywalnych ogniw Li-Ion. 

Problem w tym, że akumulatory węglowo-tlenowe utrzymują ładunek zaledwie przez ok. 100 godzin. Po tym czasie zawarty wewnątrz tlenek węgla i tlen zaczynają ze sobą reagować, czemu towarzyszy rozładowanie baterii. Z tego powodu technologia ta nie znajdzie zastosowania w pojazdach EV, ale może zostać wykorzystana do budowy buforów dla OZE. 

Ogniwa żelazowo-powietrzne: idealne dla OZE?

Okazuje się, że wydajne akumulatory można zbudować również z proszku tlenku żelaza i roztworu wody. Te składniki umieszczono w pojemniku, podłączonym do wodorowego ogniwa paliwowego. Przepuszczenie prądu przez roztwór wodny powoduje uwolnienie tlenu ze sproszkowanego tlenku żelaza, co w tym przypadku oznacza ładowanie akumulatora. Tlen rozpuszczony w wodzie zamieni się wkrótce w tlenek żelaza, dzięki czemu z wody uwolni się wodór (tak wygląda rozładowywanie tej baterii), który zasili ogniwo paliwowe, w efekcie czego wygeneruje ono prąd. 

Konstruktorzy z firmy Form Energy, którzy mieli zbudować działającą baterię żelazowo-powietrzną stwierdzili, że jej cena kWh to zaledwie 20 dol. (w typowej baterii Li-ion cena wynosi ok. 150 dol za kWh). Te innowacyjne ogniwa są jednak ciężkie i wolno się ładują, dlatego zamiast do pojazdów EV, najprawdopodobniej zostaną wykorzystane w do budowy magazynów energii na potrzeby instalacji z OZE.

A skoro już jesteśmy przy tym temacie duży potencjał posiadają baterie Redox Flow, zwane również bateriami przepływowymi. Zbudowane są one ze zbiorników z elektrolitami oraz specjalnej membrany. Pompy wymuszają przepływ elektrolitów po obu stronach membrany, która odpowiada za transfer elektronów. 

Dzięki takiej zasadzie działania pojemność baterii zależy od ilości elektrolitu, a jej moc o ilości ogniw. To pozwala budować magazyny energii idealnie dopasowane do potrzeb użytkownika. Oprócz łatwej skalowalności baterie przepływowe posiadają żywotność ok. 20 000 cykli, czyli powyżej 20 lat. Ponadto zapewniają wyższe bezpieczeństwo pożarowe, a koszty ich produkcji i implementacji okazują atrakcyjne nawet pomimo tego, że w porównaniu do baterii Li-ion posiadają dziesięciokrotnie mniejszą gęstość energetyczną (12 – 40 Wh / kg).

Oczywiście baterie Redox Flow nie znajdą zastosowania ani w pojazdach mikromobilności, ani w elektrycznych samochodach. Niemniej jednak ich zastosowanie w magazynach energii pozwoli obniżyć popyt na baterie Li-ion, co obniży cenę baterii wykonanych w tej technologii.