Čvrste baterije mogle bi omogućiti električnim vozilima domet od 600 milja i smanjiti rizik od požara. Sada se proizvođači baterija utrkuju da ih dovedu do komercijalizacije.
Budućnost električnih vozila
Već skoro dve decenije, čvrste baterije se hvale kao revolucija za električna vozila. Ova inovacija obećava da će eliminisati strah od nedovoljnog dometa, skratiti vreme punjenja i učiniti električne automobile praktičnim i pogodnim kao što su vozila na benzin—bez štetnih emisija iz izduvnih cevi koje zagađuju vazduh i štete ljudskom zdravlju.
Pa ipak, čvrste baterije se čine kao da su zarobljene u laboratorijima. Šta ih usporava? Koliko su blizu da pokreću EV? Da li su uopšte stvarne, ili će ova tehnologija zauvek ostati naučna fantastika?
Stručnjaci tvrde da napredak u razvoju čvrstih baterija nije tako spor kao što izgleda. Kompanije su bliže nego ikada komercijalizaciji, ali prepreke i dalje postoje. Poput litijum-jonskih baterija, očekuje se da će njihovo razvijanje biti sporo i postepeno. Polučvrste baterije će se prvo na tržištu, služeći kao "tehnologija most" pre nego što potpuno čvrste baterije postanu dostupne u masovnoj proizvodnji.
„Nalazimo se u načinu pionirskog razvoja proboja za približavanje automobilskoj primeni“, rekla je Siyu Huang, CEO startupa Factorial. „Glavni izazov za čvrste baterije je skalabilnost“, dodala je—sposobnost da se proizvode u masovnim količinama.
Kako ovo funkcioniše
U tradicionalnoj litijum-jonskoj ćeliji, elektrolit—materijal koji nosi jone između ciklusa punjenja i pražnjenja—obično je hemijska tečnost na bazi litijuma. Čvrste baterije to menjaju čvrstim elektrolitom, koji se često pravi od polimera, sulfidnih ili oksidnih materijala. Cilj ostaje isti: prenos elektrona između katode i anode kako bi se napajalo vozilo.
Istraživanja su pokazala da ova promena donosi ključne prednosti. Čvrste baterije omogućavaju veću gustinu energije u manjem prostoru; brže se pune, a takođe su bezbednije i pružaju bolju termičku stabilnost nego tradicionalne litijum-jonske baterije. U teoriji, ovo bi trebalo da eliminiše mnoge uobičajene i problematične probleme sa električnim vozilima: gubitke dometa na ekstremnim temperaturama, rizike od požara i dr.
Polučvrste baterije, s druge strane, koriste gelasti elektrolit umesto potpuno tečnog ili čvrstog, nudeći bolju gustinu energije i bezbednost. One su hibridno rešenje između konvencionalnih litijum-jonskih i potpuno čvrstih baterija.
Sada postoji ogromna potražnja da se ove hemije baterija dovedu u život. Factorial, sa sedištem u Massachusettsu, jedan je od lidera u ovom prostoru. Skupila je zajedničke razvojne ugovore sa Mercedes-Benzom, Stellantisom i Hyundai Motor Group (koji možda čak sledećeg meseca otkrije svoje prototipove čvrstih baterija, prema izveštajima).
U razvoju ove tehnologije takođe učestvuju i drugi igrači. Kompanija QuantumScape iz Kalifornije ima sporazum sa baterijskim ogrankom Volkswagen grupe, PowerCo, o industrijalizaciji čvrstih baterija. BMW grupa i Ford su investirali milione dolara u kompaniju Solid Power iz Kolorada. Toyota i Honda vode sopstvene interne napore za razvoj čvrstih baterija u Japanu.
Prošle godine, Factorial je otkrio svoju all-solid-state bateriju pod nazivom Solstice. Koristi sulfidni elektrolit za koji tvrde da pruža probojnju gustinu energije od 450 vat-sati po kilogramu. Većina litijum-jonskih ćelija trenutno korišćenih u EV-ima ima gustinu energije ispod 300 Wh/kg. Veća gustina energije znači da baterija EV-a može skladistiti više energije bez povećanja dimenzija ili težine, što dovodi do dužeg dometa vožnje.
Međutim, masovna proizvodnja čvrstih baterija je značajan izazov. “Deo problema sa vremenom je to što ne možete koristiti iste fabrike i procese proizvodnje za SSB”, kaže Liz Najman, direktorka tržišnih istraživanja u startapu za zdravlje baterija i podatke Recurrent. “Morate sve novo izgraditi, što zahteva novac i vreme.”
Zašto je to tako teško?
Prema rečima Nacionalne naučne fondacije SAD, zahtevi za proizvodnju čvrstih baterija su značajno različiti od onih za litijum-jonske baterije. Ukratko, proizvodnja baterija zahteva tri glavna procesa: proizvodnju elektroda, proizvodnju ćelija i kondicioniranje ćelija.
Ovi procesi i srodni lanci snabdevanja su jako optimizovani za proizvodnju litijum-jonskih baterija. Sada izazov leži u prekonfiguisanju tih procesa za čvrste baterije. Taj prelaz je poput prelaska sa tintnog štampanja na lasersko štampanje, ili menjanja bakarnih žica za optičke kablove. Potrebna je nova dizajn i preispitivanje cele infrastrukture. I budući da je tehnologija još nova, istraživači rade na prevazilaženju ovih prepreka kako bi postigli konzistentne performanse i pouzdanost.
Svi ovi procesi biće promenjeni za čvrste baterije i u velikoj meri zavise od materijalnih svojstava čvrstog elektrolita. Kako se navodi u dokumentu, bliska rešenja za ubrzanje komercijalizacije verovatno bi bila „hibridni pristup koji usvaja procese iz zajednica konvencionalnih LIB i čvrstih oksidnih gorivnih ćelija.”
Factorial upravo to i radi, integrišući svoje vlasničke procese dok koristi neke od dokazanih tehnika koje se koriste za pravljenje litijum-jonskih baterija.
U prošloj godini, otvorila je ono što se tvrdi da je največa proizvodna linija čvrstih baterija u SAD-u u Methuenu, Massachusetts. Linija kapaciteta 200 megavatsati deluje malo u poređenju s ogromnim fabrikama baterija koje se grade širom SAD-a sa stotinama gigavatsati kapaciteta. Međutim, Factorialova linija i dalje predstavlja veliki korak napred.
Već su poslali „B-uzorak“ Mercedes-Benzu na testiranje, tvrdeći da su prva kompanija koja je poslala uzorak svečvrste baterije globalnom proizvođaču automobila. B-uzorak se odnosi na prototip baterije blizak proizvodnji, koji se koristi za naprednija testiranja, kao što su validacija performansi, procene bezbednosti i integracija u EV.
Izgradnja ovih ćelija bez grešaka na montažnoj liniji takođe je izazov. “Uspevamo da postignemo 85% prihvatljivosti za pilot liniju,” rekla je Huang, misleći na procenat ćelija proizvedenih koje ispunjavaju standarde kvaliteta i smatraju se upotrebljivima. “Obično, na velikoj proizvodnoj liniji, treba da imate više od 95% prihvatljivosti,” rekla je. Dakle, još uvek ima prostora za usavršavanje i skalabilnost.
Ćelije od 40Ah Solstice takođe koriste inovativan proizvodni proces nazvan suvo premazivanje katode—proces koji se izveštava da i Tesla istražuje za svoje buduće ćelije.
Prema podacima Nacionalnog laboratorija Oak Ridge, elektrodi u tradicionalnim litijum-jonskim baterijama koriste vlažni kašasti materijal koji je skup, štetan za životnu sredinu i zauzima puno prostora u fabrici. Suvi postupak eliminiše ovu toksičnu smešu mešanjem „suve praškaste materije sa vezivom“, što može smanjiti troškove, smanjiti potrošnju energije i smanjiti ekološki otisak proizvodnje baterija.
Rezultat? Factorial tvrdi da njeni paketi visoke gustine energije mogu pružiti domet koji premašuje 600 milja. To je više nego duplo od prosečnog dometa navedenog od strane EPA u SAD-u, koji je prema podacima Ministarstva energetike iznosio 283 milje. To samo po sebi predstavlja poduhvat jer se u poslednjoj deceniji utrostručio. Factorial takođe tvrdi da može raditi na temperaturama iznad 90 stepeni Celzijusa i ima 40% manju težinu u poređenju s tradicionalnim baterijama.
Međutim, Factorialova polučvrsta baterija je rešenje koje se može brzo implementirati i koje takođe može pružiti visoke performanse i lako se skalirati. Koristi gelasti materijal za elektrolit zajedno sa litijum metalnom anodom i katodom velike gustine. Ova kombinacija objedinjuje prednosti čvrstih elektrolita sa mogućnošću proizvodnje konvencionalnih litijum-jonskih baterija, tvrdi kompanija.
Polučvrste baterije su već ušle na kinesko tržište. Prošle godine, vlasnik Nio ET7 postigao je domet od 554 milja (892 km) na jednoj punjivosti, zahvaljujući svom polučvrstom pakovanju od 150 kilovat-sati.
Brzo dolaze i u SAD. Stellantis je obećao da će lansirati demonstracionu flotu Dodge Charger Daytona opremljenu Factorialovim polučvrstim baterijama sledeće godine. Prijavljeno je da ima gustinu energije od 390 Wh/kg, što je znatno više od trenutnih industrijskih standarda koji iznose oko 250-300 Wh/kg.
Oni takođe donose velike prednosti u težini. Huang je dodala da čvrste baterije mogu uštedeti od 200 do 300 funti na nivou paketa. “Na nivou vozila, SSB-ovi mogu čak uštedeti do 1,000 funti,” rekla je. “Ako smanjimo težinu paketa, takođe možemo smanjiti potporne strukture.” Ušteda u težini direktno je povezana sa uštedom troškova. Sa svakom uklonjenom funtom, proizvođači baterija mogu uštedeti 5 dolara, rekla je Huang. Ako mogu da uklone 1,000 funti, to je velika razlika u troškovima.
“SAD voli stvarno velike, ne-aerodinamične SUV-ove i kamione”, rekla je Najman iz Recurrent-a. “Oni zahtevaju ogromne baterije kako bi kompenzovali svoju lošu fiziku, i postaju stvarno teški. SSB mogu pružiti više snage u mnogo lakšem paketu, pa bi mogli pronaći primenu u segmentu SUV/kamioneta”, dodala je. Međutim, proizvođači automobila se kreću prema produženim pogonskim sklopovima za veća vozila, koji imaju rezervne benzinske generatore za punjenje baterije.
Sve u svemu, čvrste baterije su spremne da ispune očekivanja, dodala je Najman. “Hype je deo onoga što je učinilo proizvođače opreznijima,” rekla je. “Sa svim obećanjima SSB-a, ne želite da oslobodite model koji će propasti.”