Gde je zapelo sa čvrstim baterijama?

Gde je zapelo sa čvrstim baterijama za vozila o kojima se mnogo priča, ali nikako da stignu i unaprede EV

Gde je zapelo sa čvrstim baterijama za vozila o kojima se mnogo priča, ali nikako da stignu i unaprede EV? Šta ih zadržava? Čvrste, odnono “Solid-state“ baterije bi mogle da omoguće autonomiju od 1.000 kilometara sa jednim punjenjem i manju opasnost od požara na električnim vozilima, tako barem teorija i najave kažu. Već skoro dve decenije, solid-state baterije su hvaljene i najavljene kao solomonsko rešenje za električna vozila. Proboj koji obećavaju ove baterije je da će eliminisati zabrinutost dometa, smanjiti vreme punjenja i učiniti električne automobile praktičnim i funcionalnim kao i vozila na dizel i benzin, samo bez gadnih emisija iz izduvnih cevi koje zagađuju vazduh i štete ljudskom zdravlju.
Pa ipak, solid-state baterije kao da su zarobljene u laboratorijama. Pa šta ih sputava? Koliko su blizu pokretanju serijskih električnih vozila? Da li su uopšte stvarne, ili će ova tehnologija uvek biti naučna fantastika? Stručnjaci kažu da napredak solid-state baterija nije tako spor kao što se čini. Kompanije su bliže nego ikada komercijalizaciji, ali prepreke ostaju. Baš kao i kod litijum-jonskih baterija, očekuje se da će njihova proizvodnja i ugradnja u vozila biti spora i postepena. Polučvrste baterije bi trebalo da dođu na tržište prve, služeći kao prelazno rešenje, pre nego što potpuno čvrsto pakovanja baterija dostignu pravu masovnu proizvodnju.
„U modu smo da krenemo u proboje kako bismo ih približili automobilskim aplikacijama“, rekao je Siju Huang, izvršni direktor kompanije Factorial. „Glavni izazov za solid-state je mogućnost da se proizvode u masovnim količinama.
Kako ovo funkcioniše čvrsta baterija?
U tradicionalnoj litijum-jonskoj ćeliji, elektrolit – materijal koji nosi jone a koji nose punjenje između ciklusa punjenja i pražnjenja – je obično tečna hemikalija na bazi litijuma. Čvrste baterije to zamenjuju čvrstim elektrolitom, često napravljenim od polimera, sulfida ili oksida. Cilj ostaje isti – prebacivanje elektrona između katode i anode za napajanje vozila. Istraživanja su pokazala da prelazak na čvrsti elektrolit donosi ključne prednosti. Solid-state baterije pakuju više energije u manji prostor, brže se pune, a istovremeno su bezbednije i pružaju bolju termičku stabilnost od tradicionalnih litijum-jonskih baterija. U teoriji, ovo bi trebalo da eliminiše mnoge uobičajene i zabrinjavajuće probleme sa električnim vozilima: gubitke dometa pri ekstremnim temperaturama, rizik od požara i još mnogo toga.
Polučvrste baterije, s druge strane, koriste elektrolit nalik gelu umesto potpuno tečnog ili čvrstog, nudeći bolju gustinu energije (sposobnost privata električne energije u odnosu na sopstvenu masu) i sigurnost. Oni su hibridno rešenje između konvencionalnih litijum-jonskih i svih solid-state baterija. Sada postoji ogroman napor da se obe ove hemije baterija ožive. Huangov Factorial sa sedištem u Masačusetsu je među vodećima u ovom prostoru. Ušao je u zajedničke razvojne sporazume sa Mercedes-Benzom, Stellantisom i Hyundai Motor Group. Nekoliko drugih proizvođača se takođe utrkuje da razviju ovu tehnologiju. KuantumScape sa sedištem u Kaliforniji ima ugovor sa podružnicom Volkswagen grupe PowerCo za industrijalizaciju čvrstih baterija. BMW grupa i Ford uložili su milione dolara u Solid Pover sa sedištem u Koloradu. A Toyota i Honda predvode sopstvene napore za razvoj solid-state baterija u Japanu.
Prošle godine, Factorial je otkrio svoju Solstice potpuno poluprovodnu bateriju. Koristi elektrolit na bazi sulfida za koji se tvrdi da postiže prodornu gustinu energije od 450 vat-časova po kilogramu. Većina litijum-jonskih ćelija koje se trenutno koriste u električnim vozilima imaju gustinu energije ispod 300 Wh/kg. Međutim, masovna proizvodnja solid-state baterija je velika prepreka. „Deo problema je to što ne možete da koristite iste proizvodne pogone i procese za čvrste baterije“, rekla je Liz Najman, direktorka za uvid u tržište u kompaniji Recurrent. „Morate da izgradite sve novo, što zahteva novac i vreme.

U čemu je problem?
Nacionalna naučna fondacija američke vlade detaljno objašnjava proizvodne zahteve za solid-state baterije i koliko se one razlikuju od litijum-jonskih baterija. Jednostavno rečeno, proizvodnja baterija zahteva tri glavna procesa: proizvodnju elektroda, proizvodnju ćelija i kondicioniranje ćelija. Ovi procesi i povezani lanac snabdevanja su u velikoj meri optimizovani za proizvodnju litijum-jonskih baterija. Sada je izazov u ​​rekonfigurisanju onih za solid-state baterije. Taj pomak je sličan prelasku sa mastila na lasersko štampanje, ili zameni bakarnih žica kablovima sa optičkim vlaknima. Potreban je redizajn i preispitivanje celokupne infrastrukture. A pošto je tehnologija još uvek nova, istraživači rade na prevazilaženju ovih prepreka kako bi postigli dosledne performanse i pouzdanost. „Svi ovi procesi će biti izmenjeni za čvrste baterije i u velikoj meri zavise od materijalnih svojstava čvrstog elektrolita“, kaže se u radu, pre nego što se zaključi da je kratkoročno rešenje za brzu komercijalizaciju verovatno „hibridni pristup koji usvaja procese i iz konvencionalnih LIB-ova i iz zajednica čvrstih oksidnih gorivnih ćelija“.
Factorial radi upravo to. Prošle godine je otvorio ono što se tvrdi da je najveća proizvodna linija čvrstih baterija u SAD u Methuenu u Masačusetsu. Linija od 200 megavat-sati izgleda mala u poređenju sa ogromnim postrojenjima za baterije koja se podižu širom SAD sa stotinama gigavat-sati kapaciteta. Ali linija Factoriala je i dalje velika prekretnica. Već je poslao „B-uzorak” Mercedes-Benzu na testiranje, tvrdeći da je prva kompanija za proizvodnju baterija koja je poslala uzorak potpuno čvrste baterije globalnom proizvođaču automobila. B-uzorak se odnosi na skoro proizvodni prototip baterije. Koristi se za naprednije testiranje, kao što je validacija performansi, procene bezbednosti i integracija u EV. Izgradnja ovih ćelija bez defekata na montažnoj traci je takođe izazov. „U mogućnosti smo da dobijemo 85% prinosa za pilot liniju“, rekao je Huang, misleći na stopu proizvedenih ćelija koje ispunjavaju standarde kvaliteta i koje se smatraju upotrebljivim. „Obično, u velikoj proizvodnoj liniji, morate imati više od 95% prinosa“, rekla je ona. Dakle, još uvek je preostalo da se postigne neka prefinjenost i proizvodnja u različitim veličinama i kapacitetima.
Solstice ćelije od 40 Ah takođe koriste novi proizvodni proces koji se zove suva katoda – proces, kako se navodi, Tesla je takođe istraživao za svoje ćelije sledeće generacije. Prema Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž, elektrode u tradicionalnim litijum-jonskim baterijama koriste vlažnu suspenziju koja je skupa, štetna po životnu sredinu i zauzima puno prostora na podu fabrike. Suvi proces eliminiše ovu toksičnu suspenziju mešanjem “suvih prahova sa vezivom”, što može smanjiti troškove, smanjiti potrošnju energije i smanjiti uticaj proizvodnje baterija na životnu sredinu.

Preko 1.000 kilometara dometa?
Factorial tvrdi da njegovi energetski gusti paketi mogu da isporuče domet vožnje od preko 1.000 kilometara. Factorial takođe tvrdi da su radne temperature preko 90 stepeni Celzijusa i 40% smanjenje težine u odnosu na tradicionalne baterije. Međutim, Factorialova kvazi-solidna baterija je kratkoročno rešenje koje takođe može da pruži visoke performanse i lako se povećava. Koristi materijal sličan gelu za elektrolit zajedno sa litijumskom metalnom anodom i katodom visokog kapaciteta. Ovo kombinuje prednosti elektrolita u čvrstom stanju sa sposobnošću proizvodnje konvencionalnih litijum-jonskih baterija, tvrdi kompanija. Polučvrste baterije već su ušle na kinesko tržište. Prošle godine, vlasnik Nio ET7 je postigao 892 km dometa sa jednim punjenjem, zahvaljujući svom polučvrstom paketu od 150 kWh. Uskoro dolaze i u SAD. Stellantis je obećao da će sledeće godine pokrenuti demonstracionu flotu Dodge Charger Daytona opremljenih Factorialovim kvazi-solid-state baterijama. Tvrdi se da ima gustinu energije od 390 Vh/kg, mnogo više od trenutnih industrijskih standarda od oko 250-300 Vh/kg. Oni takođe donose ogromne prednosti u težini. Huang je dodao da solid-state baterije mogu uštedeti do 100-150 kilograma na nivou pakovanja. „Na nivou celog vozila, SSB mogu da uštede čak i do 500 kilograma“, rekla je ona. „Ako smanjimo težinu pakovanja, možemo smanjiti i veličinu noseće strukture. Ušteda težine je direktno povezana sa uštedom troškova. Sa svakim eliminisanim kilogramom, proizvođači baterija mogu uštedeti 5 dolara, rekao je Huang. Ako mogu da uštede 250 kilograma, to je velika razlika u troškovima. Sve navedene solid-state baterije su pripremljene da zadovolje popularnost EV, dodao je Najman. „Preterana i neosnovana ambicioznost je deo onoga što je proizvođače učinilo izuzetno opreznim“, rekla je ona. „Uz sva obećanja čvrstih baterija SSB-a, ne želite da u serijsku proizvodnju pustite promašaj”.