To prawdziwy Święty Graal motoryzacji. Kto wygra wyścig po stały elektrolit?

Producenci samochodów przewidują, że w nadchodzących latach pojazdy elektryczne (BEV) wejdą do głównego nurtu motoryzacji. Aby tak się stało, auta elektryczne muszą oferować podobną do samochodów spalinowych praktyczność - krótki czas ładowania i duży zasięg. Ogromne znaczenie ma także odpowiednia dostępność punktów ładowania i wydolność sieci przesyłowej, jednak te czynniki są już poza kontrolą branży motoryzacyjnej.

Istnieją dwa sposoby na zapewnienie dużego zasięgu na jednym ładowaniu. Pierwszym jest zwiększenie pojemności baterii, ale to wiąże się ze wzrostem kosztów, większym zużyciem cennych surowców na jeden pojazd oraz ograniczeniem miejsca w samochodzie i jego większą masą. Alternatywą są baterie litowo-jonowe ze stałym elektrolitem (solid state batteries), które w ciągu kilku lat zaczną zastępować obecne baterie litowo-jonowe z elektrolitem płynnym. Naukowcy pracujący nad tą technologią najczęściej w roli elektrolitu wykorzystują materiały ceramiczne lub polimery stałe.

Baterie ze stałym elektrolitem to technologia o dużym potencjale. W porównaniu do obecnie stosowanych ogniw są lżejsze, mają większą gęstość energii i szybciej się ładują. Są też bezpieczniejsze i bardziej odporne na wysokie i niskie temperatury, dlatego obsługujący je system chłodzenia i ogrzewania może być mniejszy i zużywać mniej energii niż w przypadku obecnych akumulatorów litowo-jonowych.

Pierwsze masowo produkowane pojazdy z ogniwami ze stałym elektrolitem pojawią się prawdopodobnie w połowie tej dekady. Potwierdza to zarówno międzynarodowa organizacja badawcza Yole Développement. Warto w tym miejscu przypomnieć, że baterie ze stałym elektrolitem już pojawiły się w sprzedaży, na przykład za sprawą TDK. Chodzi jednak o zestawy do niewielkich urządzeń. Baterie typu solid-state w samochodach elektrycznych wiążą się z zupełnie innym poziomem skomplikowania, dlatego prace nad nimi nie przekroczyły jeszcze stadium testowania prototypów.

Jedną z głównych przeszkód są koszty. Według niektórych szacunków bateria ze stałym elektrolitem jest obecnie ponad cztery razy droższa niż typowa bateria litowo-jonowa. Z czasem jednak jej cena będzie prawdopodobnie spadać ze względu na postęp technologiczny i efekt skali. Jak prognozuje niemiecki Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research, roczna produkcja ogniw ze stałym elektrolitem wzrośnie z obecnych niecałych 2 GWh do poziomu 15-55 GWh w 2030 roku i 40-120 GWh w 2035 roku.

Na całym świecie gwałtownie rośnie liczba placówek badawczych pracujących nad nowymi związkami, które mają służyć zarówno jako elektrody, jak i elektrolit w przyszłych akumulatorach typu solid state. W miarę postępu technologicznego na rynku pojawi się prawdopodobnie kilka rodzajów baterii tego typu, na przykład ogniwa z anodami na bazie grafitu, zapewniające lepszą wydajność energetyczną i większe bezpieczeństwo. Obok badań nad materiałami, prace rozwojowe koncentrują się na udoskonalaniu produkcji i obniżaniu jej kosztów.

Duża liczba firm i ośrodków badawczych pracujących nad tą technologią zwiększa szanse na wypracowanie nowatorskich rozwiązań. Nie jest jednak zaskoczeniem, że poziom inwestycji, stopień zaangażowania i uzyskane dotąd efekty nie rozkładają się po równo. Krajem najbardziej zaangażowanym w rozwój tej technologii jest Japonia. Wiadomo to z badania zrealizowanego na zlecenie dziennika ekonomicznego Nikkei. Tokijska firma badawcza Patent Result przeanalizowała dla redakcji Nikkei wnioski patentowe na technologie związane z bateriami ze stałym elektrolitem złożone m.in. do Światowej Organizacji Własności Intelektualnej. W badaniu przyjrzano się projektom z 10 krajów przesłanym w między rokiem 2000 rokiem a końcem marca 2022 roku.

Raport zdominowała jedna firma - Toyota. Zgłosiła w tym okresie 1331 patentów na baterie ze stałym elektrolitem, czyli trzykrotnie więcej niż zajmujący drugie miejsce Panasonic Holdings. Obie firmy od kilku lat działają na rynku baterii wspólnie - zarówno w kwestii produkcji, jak i prac badawczo-rozwojowych. Panasonic uzyskał 445 patentów, a japońska firma Idemitsu Kosan zgłosiła 272 nowe rozwiązania. Na czwartym miejscu znalazł się Samsung Electronics, jedyny koncern spoza Japonii w pierwszej piątce. W Top 10 znalazło się aż sześć japońskich firm.

Skąd taka przewaga Japonii nad innymi krajami w dziedzinie prac nad baterią ze stałym elektrolitem? Z czasu, jaki do tej pory poświęcono pracy nad tą technologią. Wspomniana Toyota prowadzi badania nad ogniwami typu solid state od lat 90. ubiegłego wieku. Firma posiada patenty na technologie obejmujące wiele różnych aspektów, w tym strukturę baterii, materiały oraz procesy produkcyjne.

W 2020 roku Toyota jako pierwsza zaprezentowała działający koncepcyjny samochód zasilany baterią ze stałym elektrolitem. Nową technologię otrzymał futurystyczny elektryczny LQ Concept, który zadebiutował na targach w Tokio w 2019 roku. W tym samym roku Toyota i Panasonic założyły spółkę joint venture wyspecjalizowaną w produkcji baterii do pojazdów elektrycznych oraz połączyły siły w pracach badawczo-rozwojowych nad nowymi technologiami ogniw bateryjnych, w tym nad bateriami solid state. 

Według najnowszych doniesień, w pierwszej kolejności Toyota planuje wprowadzić nowy rodzaj ogniw do hybryd, a dopiero po zebraniu pierwszych doświadczeń z komercyjnym użytkowaniem tej technologii zastosuje je także w autach elektrycznych BEV. Japoński producent zapowiedział, że do końca dekady zainwestuje 30 miliardów euro w samochody elektryczne, z czego połowa jest przeznaczona na rozwój oraz produkcję baterii.

Panasonic ogłosił rozpoczęcie prac badawczych nad nowym rodzajem baterii ze stałym elektrolitem nanokompozytowym. Zaprezentował także nową technologię obserwacji jonów litu w bateriach ze stałym elektrolitem, wykorzystującą sztuczną inteligencję. Dzięki tej metodzie czas tworzenia jednego obrazu został skrócony z 15 minut do 30 sekund, co pozwala monitorować zachowanie jonów podczas ładowania i rozładowywania niemal w czasie rzeczywistym.

Firma Idemitsu Kosan, jedna z największych rafinerii ropy w Japonii, zgłosiła do urzędu patentowego głównie wnioski na materiały metaliczne do budowy baterii solid state.

Samsung zaprezentował własny prototyp baterii w 2020 roku, a kilka miesięcy temu rozpoczął budowę pilotażowej linii produkcyjnej w swoim ośrodku badawczo-rozwojowym niedaleko Seulu. Linia ma zostać uruchomiona w przyszłym roku, a wprowadzenie baterii ze stałym elektrolitem do komercyjnych samochodów Samsung przewiduje na 2027 rok.