Superbateriile vor transforma performanta vehiculelor electrice

Toyota, cel mai mare producator de automobile din lume, a inceput sa se uite la bateriile cu stare solida in 2012. De-a lungul anilor si-a propus chiar sa arate prototipuri functionale, desi au aparut putine lucruri. Firma a anuntat recent ca a facut o „dezvoltare tehnologica”, cu toate acestea, cu intentii de a incepe fabricarea unei baterii cu stare solida inca din 2027. Toyota sustine ca noua sa baterie va oferi un vehicul electric cu o autonomie de aproximativ 1.200 km (746 mile). , care este de aproximativ dublu fata de multe modele existente si poate fi reincarcat in aproximativ zece minute.

Electrizant

Toyota nu este singura. Cifre similare de performanta sunt promovate de alti producatori care dezvolta baterii Li-ion cu stare solida. Nissan, de exemplu, construieste o fabrica pilot in Yokohama, care va incepe sa produca versiuni de testare anul viitor. O fabrica similara este planificata in Germania de catre BMW in parteneriat cu Solid Power, un dezvoltator de baterii cu sediul in Colorado. QuantumScape, o companie startup din Silicon Valley, a inceput sa livreze prototipuri de baterii cu stare solida catre Volkswagen, principalul sau sustinator.

Este, probabil, deloc surprinzator ca dezvoltarea unei baterii cu stare solida a durat atat de mult. A obtine un nou tip de baterie pentru a functiona intr-un laborator este un lucru, dar extinderea acestuia astfel incat sa poata fi produse milioane intr-o fabrica este o afacere dificila. Desi au fost inventate la sfarsitul anilor 1970, bateriile Li-ion in sine nu au fost comercializate pe deplin pana la inceputul anilor 1990, la inceput pentru dispozitive electronice portabile, cum ar fi computere laptop si telefoane mobile, si apoi ca versiuni mai mari care ar putea fi utilizate pentru alimentarea unui noua generatie de vehicule electrice.

Masinile electrice exista inca de la inceputul automobilismului. Intr-adevar, Clara Ford a preferat cu mult vehiculele sale electrice Detroit din 1914 decat vehiculele pe benzina fabricate de sotul ei, Henry. Dar aceste vehicule electrice timpurii, precum si altele care au aparut in anii urmatori, erau in mare parte alimentate de zeci de baterii grele plumb-acid, care erau scumpe, asigurau o raza de actiune limitata si, adesea, un progres ca lenes. Usoara si capabila sa stocheze o incarcare mare, bateria Li-ion a redus costurile si a marit autonomia (vezi graficul 1), permitand electrificarea transportului sa inceapa in mod serios. Bateriile Li-ion cu stare solida ar putea aduce o alta transformare.

Producatorii de automobile au fost initial atrasi de celulele cu stare solida pentru a imbunatati siguranta deoarece, oricat de puternice sunt, celulele traditionale Li-ion prezinta un risc. Acest lucru se datoreaza faptului ca contin un electrolit lichid care este de obicei fabricat din solventi organici, iar acestia sunt extrem de inflamabili. Prin urmare, daca o baterie Li-ion este deteriorata, ceea ce se poate intampla intr-un accident sau daca se supraincalzeste in timpul reincarcarii, poate exploda in flacari. Folosirea unui electrolit solid neinflamabil previne acest lucru. Electrolitii solizi pot fi fabricati dintr-o varietate de substante chimice, inclusiv polimeri si ceramica. Dar chiar si Toyota, maestrul productiei de masa, initial i-a fost greu sa faca ca celulele cu stare solida sa functioneze eficient pe o perioada lunga de timp.

In sine, un electrolit solid nu imbunatateste neaparat performanta unei baterii. Dar permite ca o baterie Li-ion, de exemplu, sa fie reproiectata, astfel incat sa poata fi si mai mica si mai usoara si, astfel, sa impacheteze mai multa energie intr-un spatiu mai putin. De asemenea, permite inginerilor sa extinda gama de materiale pe care le pot folosi pentru a produce o baterie Li-ion si sa modifice modul in care functioneaza.

In ciuda naturii lor de foc, electrolitii sunt utilizati sub forma lichida din motive intemeiate. Ionii sunt particule incarcate si sunt creati la unul dintre electrozii bateriei, catodul, atunci cand celula este incarcata, ceea ce face ca electronii sa fie indepartati din atomii de litiu (vezi diagrama 2). Electrolitul ofera un mediu prin care ionii migreaza catre un al doilea electrod, anodul. In timp ce fac acest lucru, ionii trec printr-un separator poros care mentine electrozii separati pentru a preveni un scurtcircuit. Electronii creati la catod, intre timp, calatoresc spre anod de-a lungul firelor circuitului extern de incarcare. Ionii si electronii se reunesc la anodul unde sunt stocati. Cand bateria se descarca, procesul se inverseaza, electronii din circuit care alimenteaza un dispozitiv – care in cazul unui EV este motorul sau electric.

Mediul este mesajul

Pentru ca toate acestea sa functioneze eficient, ionii trebuie sa se deplaseze cu usurinta intre electrolit si electrozi. Electrozii sunt acoperiti cu diverse materiale, sub forma de straturi de particule minuscule. Deoarece electrolitul lichid dintr-o baterie Li-ion traditionala poate curge in aceste straturi si poate scufunda particulele, acesta ofera o suprafata mare prin care ionii pot trece. Un electrolit solid nu poate curge in toate colturile si colturile, asa ca trebuie sa fie comprimat puternic impotriva electrozilor pentru a face un contact bun. Facand acest lucru in constructia bateriei, totusi, se poate deteriora electrozii. Rezolvarea acestei asa-numite probleme de conductivitate este una dintre principalele provocari tehnice in fabricarea bateriilor cu stare solida, spune Mathias Miedreich, seful Umicore, o companie din Bruxelles care furnizeaza materiale pentru baterii.

In ciuda problemelor lor initiale, in ultimul an producatorii de automobile japonezi au facut progrese mari in ceea ce priveste elaborarea modului de fabricare a bateriilor Li-ion cu stare solida la scara, spune domnul Miedreich. Dupa ce a fost putin intarziat in lansarea vehiculelor electrice, crede el, intentioneaza sa foloseasca aceste baterii noi pentru a depasi concurentii. Poate, dar cursa pentru construirea unei superbaterie este departe de a fi castigata, nu in ultimul rand pentru ca concurentii vin in multe forme diferite.

Unele baterii cu stare solida sunt deja pe piata. De exemplu, Blue Solutions, o companie franceza care face parte din gigantul Bollore Group, produce unul care contine un polimer ca electrolit. Deoarece aceasta necesita o temperatura ridicata de functionare, bateria este cea mai potrivita vehiculelor care, odata ce bateria este incalzita, raman in utilizare constanta. Prin urmare, este folosit pentru alimentarea autobuzelor electrice.

Altele sunt ceva intermediar, deoarece contin inca cantitati mici de electrolit lichid pentru a ajuta la conductivitate. Multi dintre producatorii chinezi de baterii care domina piata lucreaza la versiuni semi-solide. Contemporary Amperex Technology (CATL), o firma chineza care produce mai mult de o treime din bateriile EV din lume, masurate prin capacitatea lor totala, spune ca ar putea incepe productia mai tarziu in acest an a unei versiuni semisolide pe care o numeste baterie „condensata”. Compania sustine ca acest lucru va avea atat un nivel ridicat de siguranta, cat si o capacitate mare de stocare.

Capacitatea unei baterii poate fi masurata prin energia sa specifica, care este cantitatea de energie care poate fi stocata in greutate. Potrivit CATL, bateria sa condensata va putea stoca pana la 500 de wati-ora pe kilogram (Wh/kg). Cele mai performante baterii Li-ion cu electroliti lichizi disponibile in prezent pe piata tind sa depaseasca aproximativ 300Wh/kg. Bateriile complet cu stare solida ar putea ajunge la 600Wh/kg sau mai mult. Pe langa cresterea performantei vehiculelor electrice pe sosea, bateriile cu o astfel de putere si usurinta vor extinde, de asemenea, foarte mult gama de taxiuri aeriene mici cu decolare si aterizare verticala, care sunt pe punctul de a fi certificate de navigabilitate.

Cu toate acestea, capacitatea este doar o caracteristica a bateriei. Cat de repede isi poate furniza puterea, cat va dura si cat va costa sunt la fel de importante. Dar rezolvarea acestor probleme implica compromisuri. Cresterea cantitatii de energie care poate fi stocata, de exemplu, va creste probabil costurile daca este necesar mai mult litiu. Si incarcarea rapida obisnuita poate scurta durata de viata a bateriei. Trucul de a obtine echilibrul corect depinde de materialele bateriei alese.

Probleme materiale

Incepeti cu catozii, cea mai scumpa componenta dintr-o baterie Li-ion. In teorie, bateriile cu stare solida sunt destul de agnostice cu privire la tipul de utilizat. Cele mai comune doua varietati de catozi sunt asa-numitele NMC, care contin acoperiri de litiu impreuna cu diferite proportii de nichel, mangan si cobalt; si LFP, realizate dintr-un amestec de fosfat de litiu si fier. Evitand utilizarea nichelului si cobaltului scump, LFP-urile castiga in popularitate. Sunt o specialitate chinezeasca speciala. Dar cu o capacitate de stocare mai mica decat NMC-urile, acestea tind sa fie utilizate in vehicule care nu necesita un nivel ridicat de performanta.

Cu sute de laboratoare din intreaga lume care lucreaza la noi materiale pentru baterii, vor aparea si alte tipuri de catozi. Umicore, de exemplu, a facut echipa cu Idemitsu Kosan, un producator japonez de electroliti, pentru a dezvolta un tip de material numit catolit, care combina substantele chimice catodice cu un electrolit solid pentru a forma un singur strat. Daca functioneaza, acest lucru ar face constructia bateriei si mai simpla. Oamenii de stiinta lucreaza, de asemenea, la utilizarea sodiului in loc de litiu ca sursa de ioni intr-o baterie. Sodiul este abundent si ieftin, desi litiul, fiind cel mai usor metal dintre toate, ar avea totusi avantaj in unele aplicatii de transport.

In ceea ce priveste anozii, schimbarile sunt si ele in curs. In prezent, majoritatea anozilor sunt fabricati din grafit, o forma pura de carbon extras dintr-o mana de mine, mai ales in Mozambic sau China, sau produsi sintetic in fabricile petrochimice folosind procese intensive in carbon. Deoarece un electrolit solid reduce riscul de reactii adverse, pot fi utilizate in schimb materiale precum siliciul si anumite metale, in special litiul sub forma sa de metal. Acestea pot stoca mai multa energie intr-un spatiu mai mic decat grafitul, ceea ce permite bateriilor sa fie mai mici si mai usoare. Se economiseste spatiu suplimentar deoarece un electrolit solid se poate dubla si ca separator.

Unele baterii cu stare solida vor fi „fara anozi” (de asemenea, prezentate in diagrama 2). Aceasta este directia luata de QuantumScape. Utilizeaza o ceramica proprie care actioneaza atat ca separator, cat si ca electrolit si care este plasata intre un catod si o folie metalica. Cand bateria este incarcata, ionii de litiu migreaza prin electrolitul solid si se acumuleaza pe folie, acoperind-o eficient cu litiu pentru a forma un anod de lucru. Cand bateria se descarca, ionii migreaza inapoi si anodul se micsoreaza.

Formarea unui anod in acest fel inseamna ca bateria se extinde si se contracta. Acest lucru se intampla si in celulele traditionale Li-ion, cu aproximativ 4% sau cam asa, comparativ cu aproximativ 15% intr-o celula QuantumScape, spune Tim Holme, un co-fondator al companiei. Aceasta miscare este gazduita in ambalajul celulelor, care sunt stivuite in straturi pentru a forma modulele care alcatuiesc o baterie completa EV.

Pe langa o raza lunga de actiune si un timp de incarcare rapid, QuantumScape spune ca bateria sa va avea si un „ciclu de viata” extins. Aceasta este o masura a cate ori poate fi incarcata si descarcata inainte ca capacitatea bateriei sa se degradeze sub 90% si nivelul de performanta sa inceapa sa scada. Bateria QuantumScape ar trebui sa fie buna pentru cel putin 800 de cicluri, spune Dr Holme. Asadar, daca fiecare incarcare ar oferi doar o autonomie medie de aproximativ 500 km, ar oferi unui vehicul electric o autonomie de viata de aproximativ 400.000 km – ceea ce este bun pentru orice vehicul. Fiind ceramic, separatorul bateriei rezista si la formarea dendritelor, adauga Dr Holme. Acestea sunt microstructuri metalice asemanatoare degetelor care pot creste in interiorul unui electrolit lichid si pot provoca un scurtcircuit. Bateriile semi-solide, inclusiv varietatea condensata, ar putea fi inca vulnerabile la acest lucru.

Pe linia de productie

Cat de bune se dovedesc a fi aceste baterii noi nu se va sti cu adevarat pana cand vor ajunge in masini si afirmatiile producatorilor vor putea fi testate. Gama anuntata de vehicule electrice existente poate fi de nerealizat in conditii reale de condus. Primele baterii semi-solide ar trebui sa apara in masini in 2025-2026, spune Xiaoxi He de la IDTechEx, o firma de analisti. Ea se asteapta ca primele versiuni solide, precum cele dezvoltate de Toyota si altii, sa apara in 2028.

La inceput, cifrele vor fi mici, pe masura ce companiile se lanseaza in productia de proba inainte de a investi miliarde de dolari in transformarea „gigafactoriilor” existente pentru a face baterii noi sau a construi altele noi. Aceasta inseamna ca bateriile vor fi scumpe cu aplicatiile timpurii in vehicule de lux si de inalta performanta, adauga Dr He. Deci, ar putea fi bine in anii 2030 inainte ca bateriile cu stare solida mai ieftine sa devina disponibile pe scara larga in masinile de familie.

In mare masura, cat de reusita este productia de masa in reducerea costurilor va depinde de modul in care preturile materiilor prime evolueaza in urmatorul deceniu. „Bateriile cu stare solida vor consuma in mod semnificativ mai mult litiu”, spune Fabian Duffner, de la Porsche Consulting, care este administrata ca parte independenta a producatorului german de masini sport. In functie de modul in care sunt fabricate, el estimeaza ca bateriile care contin catozi si anozi de capacitate mai mare vor avea nevoie de 40-100% mai mult litiu. In acelasi timp, producatorii vor avea nevoie, de asemenea, de litiu suplimentar, deoarece isi schimba din ce in ce mai mult productia de la vehiculele cu motor cu combustie la fabricarea de vehicule electrice.

Denumite uneori „aur alb”, preturile litiului au fost pe un rollercoaster. O mare parte a pietei de litiu este dominata de China. Spre sfarsitul anului trecut, preturile pentru carbonatul de litiu pentru baterii s-au ridicat la aproximativ 600.000 de yuani (aproximativ 80.000 de dolari) pe tona, dar de atunci au scazut inapoi la aproximativ 250.000 de yuani – inca de doua ori mai mult decat in ​​urma cu doi ani. Preturile nichelului au fost si ele volatile.

Pe o astfel de piata mercuriala, companiile trebuie sa-si asigure liniile de aprovizionare, adauga dr. Duffner. Acest lucru va fi dificil pentru ca, desi unele noi mine pentru litiu si alte materiale pentru baterii sunt in curs de dezvoltare, in special in afara Chinei, pot dura un deceniu sau mai mult pana sa ajunga la productia lor completa.

Drept urmare, dr. Duffner se asteapta ca multi dintre marii producatori de automobile sa devina mai integrati pe verticala prin colaborarea cu producatorii de baterii si companiile de materiale. In Japonia, Toyota, Nissan si Honda s-au alaturat deja cu Panasonic si GS Yuasa, o pereche de producatori de baterii, pentru a forma un consortiu pentru dezvoltarea bateriilor cu stare solida.

Reciclarea materialelor va ajuta oarecum. Majoritatea operatiunilor recicleaza deja bateriile din electronice de larg consum si se vor extinde pentru a face fata a ceea ce va fi un numar tot mai mare de baterii, pe masura ce vehiculele electrice mai vechi ajung la capatul drumului. Metodele sunt avansate – odata ce celulele bateriei sunt izolate, acestea sunt macinate si materiale precum litiu, cobalt, nichel si mangan pot fi recuperate si purificate.

Redwood Materials, un reciclator de baterii cu sediul in Nevada, foloseste unele dintre materialele pe care le recupereaza pentru a face noi catozi si anozi. Northvolt, un producator suedez de baterii cu un numar de gigafabrici in Europa, spera sa obtina pana la sfarsitul deceniului aproximativ jumatate din materialele de care are nevoie din bateriile reciclate.

Intr-un fel sau altul, atunci bateriile cu stare solida Li-ion vin pe drum. Par suficient de promitatoare pentru a permite in sfarsit vehiculelor electrice sa concureze cu vehiculele care folosesc motoare murdare, de moda veche, cu ardere interna in ceea ce priveste autonomia, performanta si confortul. In prezent, bateriile standard Li-ion reprezinta aproximativ 40% din costul unui vehicul electric. Aceasta proportie va trebui sa scada daca superbateriile cu stare solida vor permite masinilor electrice sa concureze si la pret.