Baterije u čvrstom stanju mogle bi da omoguće domet od 1000 kilometara uz jedno punjenje, ali i da redukuju mogućnost zapaljivanja.
Proizvođači baterija se utrkuju ko će prvi da dođe do serijske proizvodnje.
Gotovo dve decenije, SSB jedinice su etiketirane kao tehnologija koja će da promeni pravila igre u oblasti električnih vozila. Radi se o proboju koji obećava da će eliminisati anksioznost vezanu za domet, smanjiti vreme punjenja i učiniti električne automobile praktičnim poput benzinskih, bez neželjene emisije izduvnih gasova koji zagađuju vazduh i štete zdravlju.
Međutim, čini se da su baterije u čvrstom stanju ostale zarobljene u laboratoriji. Tu se nameće pitanje – šta ih sputava? Koliko su blizu da se konačno nađu u automobilima? Da li su uopšte stvarne ili će ova tehnologija ostati u domenu naučne fantastike?
Stručnjaci kažu da napredak baterija u čvrstom stanju nije tako spor kao što se čini. Kompanije su bliže njihovoj komercijalizaciji nego ikada ranije, mada neke prepreke ostaju. Baš kao i u slučaju litijum-jonskih baterija, očekuje se da će njihova finalizacija biti spora i postepena. Polučvrste baterije bi trebalo da pristignu na tržište prve, služeći kao „tehnologija za premošćivanje“, pre nego što jedinice s čvrstim elektrolitima dostignu masovnu proizvodnju.
„Spremni smo da krenemo u proboje, kako bismo ih približili automobilskoj primeni“, rekla je za InsideEVs Sju Huang, generalna direktorka kompanije Factorial. „Glavni izazov kada je reč o baterijama u čvrstom stanju je skalabilnost“, dodala je ona, odnosno sposobnost da se proizvode u masovnim količinama.
Kako sve ovo funkcioniše?
U tradicionalnoj litijum-jonskoj ćeliji, elektrolit (materijal koji nosi jone koji prenose naboj između ciklusa punjenja i pražnjenja) je obično tečna hemikalija na bazi litijuma. Čvrste baterije to zamenjuju čvrstim elektrolitom, često naprevljenim od polimera, sulfida ili oksida. Cilj ostaje isti: prebacivanje elektrona između katode i anode za napajanje vozila.
Istraživanja su pokazala da čvrsti elektroliti donose ključne prednosti. Ovaj tip baterija može da uskladišti više energije u manji prostor, brže se pune, a istovremeno su bezbednije i pružaju bolju termičku stabilnost od tradicionalnih litijum-jonskih jedinica. U teoriji, ovo bi trebalo da eliminiše mnoge uobičajene i zabrinjavajuće probleme s električnim vozilima: gubitak dometa pri ekstremnim temperaturama, rizik od požara i još mnogo toga.
Polučvrste baterije, s druge strane, koriste elektrolit sličan gelu umesto potpuno tečnog ili čvrstog, nudeći bolju energetsku gustinu i sigurnost. One predstavljaju hibridno rešenje između konvencionalnih litijum-jonskih i baterija u čvrstom stanju.
Sada postoji ogroman napor da se obe ove baterijske hemije ožive. Factorial, sa sedištem u Masačusetsu, među vodećim je u ovom domenu. Kompanija je ušla u zajedničke razvojne sporazume s Mercedes-Benzom, Stellantisom i Hyundai Motor grupacijom (koja bi, prema izveštajima, možda čak mogla da obelodani sopstvene prototipove jedinica u čvrstom stanju sledećeg meseca).
Nekoliko drugih igrača takođe je u trci razvoja ove tehnologije. QuantumScape sa sedištem u Kaliforniji ima ugovor s podružnicom VW grupacije, PowerCo, na planu industrijalizacije čvrstih baterija. BMW grupacija i Ford, uložili su milione dolara u Solid Power sa sedištem u Koloradu. Toyota i Honda su vodeće u razvoju baterija u čvrstom stanju u Japanu.
Prošle godine, Factorial je obelodanio svoju Solstice poluprovodničku bateriju. Ona koristi elektrolit na bazi sulfida, za koji se tvrdi da postiže prodornu energetsku gustinu od 450 Wh po kilogramu. Većina litijum-jonskih ćelija koje se trenutno koriste u električnim vozilima, imaju energetsku gustinu ispod 300 Wh/kg. Veća energetska gustina znači da EV baterija može da skladišti više energije bez povećanja mase i dimenzija, što dovodi do duže autonomije kretanja.
Međutim, masovna proizvodnja baterija u čvrstom stanju predstavlja veliku prepreku. „Deo problema s vremenskom linijom je to što ne možete da koristite iste proizvodne pogone i procese za SSB“, kaže Liz Najman, rukovodilac u kompaniji Recurrent. „Morate da izgradite sve novo, što zahteva novac i vreme.“
Zašto je tako teško?
Nacionalna naučna fondacija američke vlade detaljno objašnjava proizvodne zahteve za baterije u čvrstom stanju i koliko se one razlikuju od litijum-jonskih baterija. Jednostavno rečeno, njihova proizvodnja zahteva tri glavna procesa: proizvodnju elektroda, proizvodnju ćelija i kondicioniranje ćelija.
Ovi procesi i povezani lanac snabdevanja, u velikoj meri su optimizovani za proizvodnju litijum-jonskih baterija. Sada izazov leži u njihovoj rekonfiguraciji za baterije u čvrstom stanju. Taj pomak je sličan prelasku s mastila na lasersko štampanje, ili zameni bakarnih žica kablovima s optičkim vlaknima. Potreban je redizajn i preispitivanje celokupne infrastrukture. Budući da je ova tehnologija još uvek nova, istraživači rade na prevazilaženju ovih prepreka, kako bi postigli dosledne performanse i pouzdanost.
„Svi ovi procesi će biti izmenjeni za baterije u čvrstom stanju i u velikoj meri zavise od materijalnih svojstava čvrstog elektrolita“, navodi se u studiji, pre nego što se zaključuje da bi kratkoročno rešenje za brzu komercijalizaciju verovatno „bio hibridni pristup koji usvaja procese vezane za konvencionalne litijum-jonske jedinice i ćelije sa čvrstim oksidima.“
Factorial radi upravo to, ugrađujući svoje sopstvene procese i prenoseći u isto vreme neke od dokazanih tehnika koje se koriste za proizvodnju litijum-jonskih baterija.
Prošle godine je otvorio pogon u Masačusetsu, za koji tvrdi da je najveća proizvodna linija za baterije u čvrstom stanju u SAD. Linija od 200 MWh, izgleda mala u poređenju s ogromnim postrojenjima za baterije koja se podižu širom SAD sa stotinama GWh kapaciteta. Ipak, Factorialov poduhvat i dalje čini veliku prekretnicu.
Već je poslat „B-uzorak“ Mercedes-Benzu na testiranje, tvrdeći da je prva kompanija za proizvodnju baterija koja je poslala uzorak potpuno čvrste baterije jednom globalnom proizvođaču automobila. B-uzorak se odnosi na prototip koji je gotovo identičan serijskom proizvodu. Koristi se za naprednije testiranje, što uključuje validaciju performansi, procene bezbednosti i integraciju u EV.
Konstruisanje ovih ćelija bez defekata na montažnoj traci takođe predstavlja izazov. „U mogućnosti smo da dobijemo 85 odsto prinosa za pilot liniju“, rekla je Huang, misleći na stopu proizvedenih ćelija koje ispunjavaju standarde kvaliteta i koje se smatraju upotrebljivim. „Obično, u velikoj proizvodnjoj liniji, morate imati više od 95 odsto prinosa“, dodala je ona. Dakle, još uvek je preostalo da se izbruse prefinjenost i skalabilnost.
Solstice ćelije od 40 Ah takođe koriste novi proizvodni proces koji se zove „proces suve katode“, kako se navodi. Tesla ih je takođe istraživao za svoje ćelije sledeće generacije.
Prema Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge, elektrode u tradicionalnim litijum-jonskim baterijama koriste vlažnu suspenziju koja je skupa, štetna po životnu sredinu i zauzima mnogo prostora na podu fabrike. Suvi proces eliminiše ovu toksičnu suspenziju mešanjem „suvih prahova s vezivom“, što može smanjiti troškove, smanjiti potrošnju energije i redukovati negativan uticaj proizvodnje baterija na životnu sredinu.
Preko 1000 kilometara dometa?
Rezultat? Factorial tvrdi da njegovi energetski gusti paketi mogu da isporuče autonomiju od preko 1000 kilometara. To je više nego dvostruko veći domet od onog prosečnog u segmentu električnih automobila, koji po EPA-i iznosi 455 kilometara. To je samo po sebi podvig, jer se utrostručio tokom poslednje decenije. Factorial takođe tvrdi da su u igri radne temperature preko 90 stepeni Celzijusa i 40 odsto manja masa u odnosu na tradicionalne baterije.
Međutim, Factorialova kvazi-čvrsta baterija predstavlja kratkoročno rešenje koje takođe može da pruži visoke performanse i lako može da se poveća. Koristi materijal sličan gelu za elektrolit, zajedno s litijumskom metalnom anodom i katodom visokog kapaciteta. Ovo kombinuje prednosti elektrolita u čvrstom stanju sa sposobnošću proizvodnje konvencionalnih litijum-jonskih baterija, tvrdi kompanija.
Polučvrste baterija već su ušle na kinesko tržište. Prošle godine, vlasnik Nio ET7, prevalio je 892 kilometra jednim punjenjem, zahvaljujući polučvrstom paketu od 150 kWh.
Stellantis je obećao da će sledeće godine pokrenuti demonstracionu flotu Dodge Charger Daytona, opremljenih Factorialovim kvazi-čvrstim baterijama. Tvrdi se da je u igri energetska gustina od 390 Wh/kg, mnogo više od trenutnih industrijskih standarda od oko 250-300 Wh/kg.
One takođe donose ogromne prednosti po pitanju težine. Huang je dodala da baterija u čvrstom stanju mogu uštedeti 100-150 kilograma na nivou pakovanja. „Na nivou vozila, SSB jedinice mogu da uštede čak do 450 kilograma“, rekla je ona. „Ako smanjimo težinu pakovanja, možemo smanjiti i potporne strukture. Ušteda težine direktno je povezana sa uštedom na planu troškova. Sa svakim eliminisanim kilogramom, proizvođači baterija mogu uštedeti 10 dolara. Ako mogu da skrešu 450 kilograma, to je velika razlika u troškovima.“
„U SAD vole velike terence i kamionete koji nisu aerodinamični“, kaže Najman iz Recurrenta. „Takva vozila zahtevaju ogromne baterije da bi kompenzovala loše fizičke atribute, što u velikoj meri povećava njihovu težinu. SSB mogu ponuditi više snage u mnogo lakšem pakovanju, tako da bi mogle da nađu primenu u SUV/kamionet segmentu.“
Međutim, proizvođači automobila se kreću ka pogonskim sklopovima proširenog dometa za veća vozila, koja imaju rezervne benzinske agregate za punjenje baterije.
Sve navedene baterije u čvrstom stanju su pripremljene da zadovolje popularnost, rekla je Najman. „Pompa je deo onoga što je proizvođače učinilo izuzetno opreznim. Uz sva obećanja koje baterije u čvrstom stanju donose, ne želite da lansirate nešto što će da propadne.“
