Bateriile cu stare solidă ASSB, pe bază de ceramică, sunt la doar câţiva ani distanţă de a aduce revoluţii aşteptate printre maşinile electrice

28 Iunie 2022, 13:44
Ilie Toma
Câteva companii cu investiţii de miliarde de dolari lucrează în acest moment, în paralel, la pregătirea de producţie a unui nou tip de baterie cu stare solidă, care să aducă revoluţii aşteptate în domeniul maşinilor electrice. Tehnologia e deja dezvoltată, variind un pic de la o echipă de ingineri la alta, dar principiul de bază e acelaşi şi în toate cazurile testele arată cel puţin o dublare a beneficiilor cumulate ale bateriilor noi, în comparaţie cu cele actuale litiu-ion, folosite pe majoritatea maşinilor electrice. Să intrăm un pic mai profund în inginerie, deci.
Majoritatea bateriilor curente, inclusiv cele litiu-ion, funcţionează după principiul existenţei a doi electrozi în ele, anod şi catod, separaţi printr-un strat fin, numit electrolit, iar încărcarea înseamnă transferarea ionilor din catod în anod, în timp ce descărcarea înseamnă transferarea lor în sens invers, din anod în catod. Toată această mişcare trece prin acel perete separator, numit electrolit. În cazul bateriilor litiu-ion, rolul electrolitului în asigură de obicei un gel polimer sau un lichid.
Limitările tehnologice a acestui tip de baterie apar densitatea energetică şi fast-charge, or, cu toţii ne dorim ca maşinile electrice să se încarce repede. O putere mai mare de încărcare, însă, determină un flux imens de ioni trebuie să circule între cei doi electrozi, la încărcare şi la demarări intense cu electromotoarele, iar fluxurile mari determină mai multe şanse ca o parte din aceşti electronic să rămână „blocaţi” în peretele separator, electrolitul, formând dendritele. Cu timpul aceste depuneri cresc, iar aceşti ion devin inactivi, scăzând performanţa bateriei şi permeabilitatea electrolitului, deci şi puterea acceptată de baterie la încărcare şi cea livrată instant la demarare maximă.
Foto: Ilustraţie a dendritelor în interiorul stratului electrolit

Toate evoluţiile practice din zilele noastre, la care muncesc inginerii, se focusează la două aspecte importante — materialul din care e realizat electrolitul separator şi densitatea energetică potenţială a catozilor şi anozilor. Teoretic, o baterie ar putea folosi şi litiu curat pentru anod, datorită capacităţii energetice excepţionale a acestuia. Problema e că litiul îşi schimbă prea mult volumul la încărcare, are un punct jos de topire şi poate favoriza aprinderi. Deci, o baterie din litiu curat pe partea de anod ar fi mega eficientă energetic, însă doar în condiţii controlate de laborator. Tocmai de asta, în producţia de serie litiul e amestecat cu alte materiale care stabilizează compoziţia.
Cu toţii ne dorim baterii mai uşoare şi mai mici, care să stocheze mai multă energie, iar asta înseamnă să creştem densitatea energetică, atât cea raportată la volum, cât şi la greutate. Efectiv, evoluţia din zilele noastre a densităţii energetice înseamnă măiestria de a comprima mai mult litiu, eliminând mai mult din substanţele de stabilizare, sau de a găsi o cale mai eficientă ca litiul împreună cu acestea să poată stoca mai mulţi ioni. Însă odată cu creşterea concentraţiei de litiu, e nevoie de mai mult efort pentru a ţine sub control volumul bateriei, mai ales prin presiunea în anod şi prin temperatură.
Aşadar, în prezent, pentru mărirea puterii de încărcare şi descărcare a unei baterii se lucrează mai ales la electroliţi şi materialul folosit acolo, iar la mărirea densităţii energetice, adică la creşterea capacităţii în tandem cu reducerea greutăţii se lucrează mai ales pe concentrarea în interiorul electrozilor, în mare parte prin renunţarea la alte materiale şi o concentraţie volumetrică mai mare de litiu sau un echivalent.

Trei companii mari din lume lucrează la mai mult de atât, însă. QuantumScape e una din ele, iar acţionarul majoritate e grupul VW, deşi compania e localizată în Silicon Valley. Aceştia promit că bateriile lor vor ajunge deja în anul 2024 pe maşinile grupului VW! SES e o altă companie din Singaore, iar pe lângă ele, Nissan e cea de-a treia companie, care dezvoltă pe intern o baterie cu tehnologie similară, care ar trebuie să fie gata până în 2024. În ce constă tehnologia, deci?
În primul rând, în consistenţa electrolitului, acelui perete separator. Cu mici variaţii, toate aceste echipe pun accent pe o compoziţie pe bază de ceramică a electrolitului fără vreun lichid. De aici şi denumirea de ASSB a acestei tehnologii — All Solid State Batteries. Surprinzător, dar ceramica între cei doi electrozi acţionează ca un material mult mai stabil şi totodată mai puţin rezistent la ioni. Iar asta permite evitarea formării dendritelor sau minimizarea lor. Testele QuantumScape arată că până şi bateriile ce adună peste 1000 de cicluri de încărcare fast charge în viaţa reală îşi păstrează performanţele aproape intacte, fapt imposibil de atins de bateriile actuale litiu ion. Spre exemplu, bateriile lui VW ID.4 ajung la circa 87-90% din capacitate după numai un an, deci pierde 10-13% din capacitate în doar 365 zile, şi nu neapărat cu fast charge în fiecare zi.
Aceeaşi ceramică permite o densitate energetică mult mai mare, cu cel puţin 60% mai mare, doar datorită specificului său. Spre exemplu, dacă cele mai performante baterii de serie din prezent au 600 Wh/litru, cele cu ceramică pot oferi 1.000 Wh/litru de volum, deci 1 kWh per litru. Litiul rămâne prezent în construcţie, dar datorită ceramicii, bateriile pot fi mai compacte şi pot fi mai durabile în timp la încărcările fast charge. Iar o baterie uriaşă a unei maşini moderne ar putea să se încarcă de la 10 la 80% în 15 minute. Nu e tocmai 5 minute, dar e un progres bun, dat de ceramică. Anume asemenea baterii sunt promise deja pentru anul 2024 pe modelele grupului VW.
Foto: Aşa arată separatorul ceramic cu rol de electrolic

Cea dea doua parte, despre care vorbesc deocamdată doar cei de la QuantumScape, se referă la ideea de a renunţa în totalitate la anod şi înlocuirea lui cu unul creat electrochimic. Practic, ar dispărea total anodul obişnuit, iar litiul s-a conţine în catod, iar în momentul primei încărcări, acesta ar migra prin electrolit şi s-ar depune de cealaltă parte a electrolitului, asigurând o distribuţie mai uniformă şi o funcţionare mai eficientă energetic a bateriei. Această tehnologie, însă, e încă în proces de testări şi estimări, însă ar putea şi ea permite reducerea greutăţii totale a bateriei.
Foto: Aşa ar arăta schimbările din procesele de încărcare şi descărcare a unei baterii fără anod fizic, ce generat electrochimic

Cei de la QuantumScape mai promit că bateriile lor ASSB cu ceramică ar putea costa mai puţin decât cele actuale, iar după circa 5 ani de producţie costul ar putea scădea la jumătate faţă de cel mediu din anul 2021, din industrie. Şi marea revoluţie ne e promisă din 2024, pe modelele grupului VW, cu posibilitatea de a livra şi altor producători. Dar mulţi vor spune că toată tehnologia ASSB nu e o revoluţie, ci o evoluţie, pentru că nu revoluţionează radical lucrurile. Litiul rămâne în ecuaţie, ba chiar eventual în cantităţi mai mari. Metalele rare, deci, la fel. Da, performanţa bateriei se îmbunătăţeşte, însă ea mai poartă în ea aceleaşi poveri actuale, despre care ştim că nu vor fi viabile pentru foarte mult timp înainte.
Poate excluderea anodului, menţionată mai sus, să deschidă o nouă cale, de eficientizare şi simplificare a construcţiei. Deci, revoluţia promisă e admirabilă şi ar putea aduce schimbări importante, dar nu va aduce soluţia magică şi universală, care ar bulversa complet lucrurile. Dar poate că nici nu există o asemenea soluţie magică, descoperită peste noapte, iar calea e formată din asemenea paşi de progres, inevitabili, care trebuie făcuţi până ajungem la finalitatea dorită.
3
4,790
COMENTARII (0)
Fiţi primul care comentează această ştire!
COMENTARIUL MEU
Trebuie să fiţi logat pentru a putea comenta
Logare | Înregistrare
Înapoi
    Logare PiataAuto.md
Login:
Parola:
Memorizeaza-ma
Ai uitat parola?
Eşti nou aici? Atunci înregistrează-te!