Solid state baterije
Lov na veći kapacitet i na kilometre
Uprkos brojnim kritikama i praktičnim nedostacima električni automobili su u međuvremenu stekli ozbiljnu popularnost širom svijeta. U nekim zemljama poput Kine oni preuzimaju primat nad klasičnim pogonskim rješenjima, ali u takvim sistemima najveći problem za masovniju afirmaciju predstavlja ograničen domet baterija. Proizvođači zato traže nova rješenja, a jedno od njih su solid-state baterije u čijem razvoju aktivno učestvuje i Mercedes-benz...
Bez obzira na svoju naprednu i čistu tehnologiju, električni automobili i dalje ne ulivaju povjerenje većini kupaca kada se govori o njihovom dometu. U svim slučajevima, ograničavajući faktor jesu same baterije električnih vozila, od kojih je većina litijum-jonska i omogućavaju od 300 do 450 km dometa, a samo oni izuzetno skupi modeli sa velikim baterijama pružaju domete preko 600 km. Ipak, za takve modele potrebno je izdvojiti velike količine novca, te su inženjeri prinuđeni tražiti nova rješenja kod izrade baterija, sa ciljem da se dobije laganija baterija, sa većom gustoćom energije, jeftinija i sigurnija za eksploataciju.
Jedan od proizvođača koji dosta ulaže u nove tehnologije za električnе automobile svakako je i njemački Mercedes-Benz, koji je najavio upotrebu solid-state baterija, odnosno baterija sa čvrstim elektrolitom kao sigurnije, lakše i 25% efikasnije alternative postojećim litijum-jonskim baterijama. Mercedes-Benz je, zajedno sa Mercedes AMG High Performance Powertrains (HPP) sa sjedištem u Briksvortu u Velikoj Britaniji (F1 program), razvio i patentirao novi inovativni paket solid-state (čvrstih) baterija i ugradio ih u neznatno modifikovani EQS, sa kojim su testiranja otpočela u februaru ove godine.
Snage su udružili Mercedesovi inženjeri za razvoj putničkih automobila i inženjeri iz F1 programa sa inženjerima kompanije Factorial. Ova „družinaˮ izradila je prototip baterije sa čvrstim elektrolitom, i integrisala ga u pomenuti EQS, te su počela laboratorijska testiranja u Štutgartu krajem 2024. godine.
Ova tehnologija „obećavaˮ jer koristi čvrsti elektrolit umjesto tečnog, čime se bezbjednost povećava i omogućava uvođenje novih anoda poput metala litijuma. Solid-state baterije imaju veću gravimetrijsku gustinu energije (količina energije pohranjene u ćeliji po jedinici mase), potencijalno čak do 450 Wh/kg, što povećava domet električnih automobila. Ova karakteristika veoma je bitna za procjenu efikasnosti i performansi baterijskih ćelija, jer je težina ključni faktor kod električnih vozila, posebno što solid-state baterije smanjuju težinu a istovremeno povećavaju bezbjednost samih ćelija. Zbog toga u Mercedes-Benzu sa ponosom ističu da su ovu tehnologiju iznijeli „iz laboratorije na putˮ, postavljajući nove standarde u auto-industriji.
Nove solid-state baterije imaju inovativni plutajući nosač ćelija za koji je već odobren patent. Kada se baterija puni, materijali se šire, a pri pražnjenju skupljaju se. Da bi „podržaleˮ ćelije tokom promjene zapremine, Mercedes-Benz solid-state baterija opremljena je pneumatskim aktuatorima koji su u interakciji sa promjenom zapremine ćelija tokom procesa punjenja i pražnjenja, čime se direktno utiče na karakteristike same baterije i njen vijek trajanja.
EQS-ova solid-state baterija pruža do 25% veći domet u poređenju sa litijum-jonskom iste veličine i mase, pri čemu se dodatna efikasnost postiže pasivnim hlađenjem baterije. Očekivanja su da će testni EQS imati domet od oko 1000 km (620 milja), što iznosi oko 20% više od standardnog EQS-a 450+ (cca 800 km) sa kapacitetom litijum-jonske baterije od 118 kWh i potrošnjom od 16,4 do 19,9 kWh / 100 km.
Da bismo shvatili značaj ove vrste tehnologije izrade baterija, moramo se osvrnuti na osnovne razlike između litijum-jonskih i solid-state baterija i šta je trenutni uzrok da solid-state koncept ne mijenja postojeći bržim tempom. Današnje litijum-jonske baterije su „glavni igračˮ po pitanju skladištenja električne energije za pokretanje električnih automobila.
Njihova tehnologija trenutno zadovoljava većinu zahtjeva po pitanju kapaciteta, brzine punjenja i trajnosti, a njihova masovna proizvodnja približila je električne automobile mnogo širem krugu kupaca. Međutim, litijum-jonske baterije imaju i veliki broj ograničenja i specifičnosti koje su dovele do toga da su one na vrhuncu svog razvoja i bilo kakva velika ulaganja mogu dovesti samo do malog pomaka u povećanju njihovih performansi.
Svaka baterija se po pravilu sastoji od anode, katode, separatora i elektrolita, koji omogućava kretanje jona sa anode ka katodi i obratno, zavisno od toga da li je u pitanju punjenje ili pražnjenje baterije. Upravo tu litijum-jonska tehnologija ima najveći nedostatak, jer tečni elektrolit (iako dobro provodi jone) ima veliki problem sa visokim ili niskim temperaturama, a uz sve to je i zapaljiv. Ovi problemi nisu nerješivi, ali prilično poskupljuju proizvodnju, a kad su u pitanju solid-state baterije, tečni elektrolit zamijenjen je čvrstom materijom, što unosi pravu revoluciju u proizvodnji baterija.
Naime, čvrsti elektrolit ne služi samo kao provodnik jona nego i kao separator, što umnogome pojednostavljuje konstrukciju i smanjuje težinu baterija. Zatim, čvrsti elektrolit eliminiše mogućnost zapaljenja u slučaju oštećenja, naročito pri udesima, a povrh toga samo kućište baterije onda ne mora biti skupo i masivno, čime se smanjuju masa i cijena baterije. Još značajnije je da se sa istom ukupnom težinom kompletnog baterijskog sklopa može uskladištiti više električne energije i time direktno povećati autonomija automobila.
Moramo naglasiti da solid-state tehnologija obećava veću gustinu skladištenja električne energije, odnosno više sačuvane energije po kilogramu mase baterije. Pri tome, degradacija baterije i njen gubitak kapaciteta usljed broja ciklusa punjenja i pražnjenja kod solid-state baterija biće znatno manji nego kod litijum-jonskih, uz istovremeno četiri do šest puta veću brzinu punjenja. Kada se sve sagleda, pitanje dana jeste zašto nijedan proizvođač do sada nije masovno počeo proizvoditi električne automobile sa solid-state baterijama.
Razlog leži u tome što razvoj čvrstog elektrolita nije nimalo jednostavan, jer on mora biti stabilan, imati visoku jonsku provodljivost, te ispunjavati najvažniji uslov – da je pogodan za masovnu proizvodnju. Nema bas nikakvog smisla proizvesti prototip baterije koja ima i 10 puta veći kapacitet od litijum-jonske ukoliko bi bila preskupa i nepogodna za masovnu proizvodnju. Trenutno se proizvodnja čvrstog elektrolita bazira na korištenju keramike, odnosno minerala i polimera.
Polimeri su jeftiniji za proizvodnju, ali su nešto lošiji provodnici jona. Isto tako, polimeri imaju problem sa provodljivošću jona na sobnoj temperaturi, pa u tom slučaju baterije treba „dogrijatiˮ i održavati im temperaturu na oko 60 °C, što odmah ukazuje na problem zimske eksploatacije električnih automobila. Za razliku od polimera, keramički elektroliti su bolji provodnici, ali imaju znatno lošija mehanička svojstva, odnosno krti su i lomljivi. Pred inženjere se stavlja još jedna opcija: proizvodnja solid-state baterije sa čvrstim elektrolitom i anodom od litijuma. Ovaj koncept u startu obećava znatno bolje karakteristike baterije, ali problem je u tome što je litijum prilično nestabilan. Uopšteno govoreći, solid-state baterije u budućnosti (ako se riješe navedeni problemi) imaju potencijal da u potpunosti preuzmu tržište električnih automobila i omoguće kvalitetniji „lov na kilometreˮ, ali trenutno su litijum-jonske baterije te koje vladaju tržištem.
Kontranapad
Taman kad se počelo pričati o solid-state baterijama kao novom nosiocu zamaha razvoja električnih automobila, litijum-jonska tehnologija uzvraća udarac, zahvaljujući južnokorejskim naučnicima sa Univerziteta za nauku i tehnologiju Pohang i Univerziteta Sogang. Oni tvrde da su razvili novu tehnologiju za litrijum-jonske baterije upotrebom silicijumske anode. Mnogi su to pokušali, ali nisu uspjeli jer je silicijum slabo provodljiv i mijenja zapreminu pri punjenju, što dovodi do pucanja, te je u proizvodnji dominirala anoda od grafita.
Umjesto grafita upotrijebljena je silicijumska anoda u kombinaciji sa specijalno dizajniranim slojevito nabijenim polimerima koji regulišu širenje zapremine pri ciklusu punjenja i pražnjenja, čime se postigla stabilnost baterije. Ovim je postignut 10 puta veći kapacitet baterije od postojećeg, sa potencijalnim dometom od 5000 km. Novi polimeri ne koriste samo vodonične veze, već i jače sile između pozitivnih i negativnih naelektrisanja. Te sile su snažnije ali reverzibilne, čime se kontroliše povećanje zapremine, a postignuta je i veća energetska gustina elektrode. Nije poznato kada će se krenuti u proizvodnju, niti da li će do nje doći (da li je baterija ekonomski isplativa), ali potencijal je ogroman i evidentan.