Święty graal motoryzacji już działa. Gwódź do trumny aut spalinowych?
Na rynku pojawiają się kolejne samochody elektryczne, które zyskują coraz większy zasięg, krótszy czas ładowania i lepsze osiągi. By jednak stać się rzeczywistą alternatywą dla pojazdów spalinowych, elektryczne auta potrzebują technologicznego przełomu. Tym mogą się okazać baterie ze stałym elektrolitem.
Zaawansowane badania nad tą technologią od 2012 roku prowadzi Toyota. W 2020 roku Japończycy ogłosili, że opracowali już pierwszy samochód elektryczny oparty na tym rozwiązaniu. Prototyp zostanie zaprezentowany jeszcze w tym roku.
Baterie litowo-jonowe ze stałym elektrolitem mają wiele atutów, dzięki którym w ciągu kilku lat staną się pewnie równie powszechne jak stosowane obecnie baterie li-ion z elektrolitem płynnym. Do ich najważniejszych zalet należy krótszy czas ładowania i większa gęstość energii, która pozwoli wydłużyć zasięg. Zanim to jednak nastąpi, naukowcy muszą się jeszcze zmierzyć z kilkoma problemami.
Choć baterie ze stałym elektrolitem są badane od lat 50. ubiegłego wieku, a pierwsze komercyjne zastosowania pojawiły się w 2011 roku za sprawą firmy Bollore, technologia ta wciąż nie osiągnęła jeszcze takiego poziomu zaawansowania, by można było rozpocząć masową produkcję. Jak działają baterie ze stałym elektrolitem? Baterie te opierają się na stałym elektrolicie, który zastępuje elektrolit płynny lub żel polimerowy, stosowane obecnie w bateriach litowo-jonowych.
Zasada działania obu rodzajów ogniw jest w zasadzie taka sama. Katoda i anoda są oddzielone elektrolitem, przez który przenikają naładowane jony. Podczas uwalniania energii na anodzie dochodzi do procesu utleniania, w którym uwalniane są elektrony. Ich ruch powoduje powstawanie prądu. Baterie ze stałym elektrolitem mogą mieć od dwóch do ośmiu razy większą gęstość energii niż zwykłe baterie litowo-jonowe. Jednocześnie ryzyko zapłonu jest w ich przypadku dużo niższe. Dzięki temu wymagają mniej zabezpieczeń, co pozwala uwolnić miejsce dla większej liczby ogniw w obudowie tej samej wielkości. Kolejną zaletą jest to, że nowy typ baterii generuje o 70-80 procent mniej ciepła niż standardowe ogniwa. W jej konstrukcji udało się także uniknąć toksycznych substancji, które są stosowane obecnie. Szybsze ładowanie, większa żywotność i wyższe napięcie to kolejne korzyści.
Co wiadomo o baterii Toyoty? Na przestrzeni dekady - od 2009 do 2018 roku - firma zgłosiła ponad 1500 patentów dotyczących takiego rozwiązania. To kilkakrotnie więcej niż pozostali gracze zajmujący się tą technologią. Jej rozwojowi sprzyja również fakt, że japońskie firmy i ośrodki naukowe mogą korzystać z rządowego funduszu na badania nad zielonymi technologiami w wysokości 10 mld dolarów. Toyota deklaruje, że jej nowa bateria ze stałym elektrolitem może zapewnić zasięg do 500 km i czas ładowania od 0 do 100 procent w 10 minut. A to wszystko przy bardzo wysokim poziomie bezpieczeństwa. Nowe baterie japońskiego producenta mają zapewniać dwa razy większy zasięg w porównaniu z tradycyjną baterią li-ion o tej samej wielkości.
Pierwszy elektryczny samochód Toyoty z baterią ze stałym elektrolitem będzie SUV-em zbudowanym na nowej platformie e-TNGA. Prototyp nowego modelu ma zostać zaprezentowany w 2021 roku. Wersji produkcyjnej można się spodziewać około 2023 lub 2024 roku. Toyota już pracuje nad technologiami masowej produkcji nowego rodzaju baterii oraz organizuje łańcuchy dostaw. W tworzenie potrzebnej infrastruktury angażują się też japońscy poddostawcy. Mitsui Minings uruchomi niedługo pilotażowy zakład produkujący stałe elektrolity do baterii. Począwszy od przyszłego roku, zakład będzie miał możliwości produkcyjne na poziomie dziesiątek ton stałego elektrolitu rocznie. To wystarczy na pokrycie zamówień na potrzeby prototypowych samochodów.
Baterie ze stałym elektrolitem to bardzo obiecująca technologia, ale jej obecne stadium rozwoju nie pozwala na uruchomienie masowej produkcji od razu. Naukowcy muszą uporać się jeszcze z ostatnimi problemami, typowymi dla wczesnych technologii. Pierwszym z nich jest koszt produkcji. W 2012 roku jedna bateria ze stałym elektrolitem 20 A/h kosztowała 100 000 dolarów, a samochód elektryczny potrzebuje tysiąc takich baterii. Jednak obecnie wygląda na to, że Toyocie udało się znacząco obniżyć te koszty, skoro planuje wprowadzić to rozwiązanie na rynek w najbliższych latach.
Drugą kwestią jest mała odporność na niskie temperatury, a trzecią utrata pojemności z powodu tworzenia się dendrytów. Już dawno zauważono, że podczas ładowania i rozładowywania baterie ze stałym elektrolitem mają tendencję do tego, by na anodzie podczas ładowania powstawały struktury przypominające igły. Z czasem dendryty stają się coraz większe i uszkadzają baterię. Na szczęście rozwiązanie tego problemu zostało opracowane przez naukowców w 2018 roku.
Nad bateriami ze stałym elektrolitem pracuje wiele ośrodków naukowych oraz firm - zarówno z branży motoryzacyjnej, jak i technologicznej. Analitycy oceniają, że ten nowy rodzaj akumulatorów zdominuje rynek w ciągu zaledwie pięciu lat. Jednocześnie jednak obecnie stosowane baterie litowo-jonowe z ciekłym lub żelowym elektrolitem stają się coraz tańsze i bardziej wydajne. Między rokiem 2010 a 2020 ich ceny spadły o 88 procent. To pokazuje, że postęp technologiczny w dziedzinie baterii będzie nadal napędzał rozwój zelektryfikowanych samochodów.
***
