Inginerii japonezi de la TDK au creat bateria cu stare solidă cu densitate energetică record, de 100 ori mai mare decât tehnologia actuală a companiei

Despre bateriile cu stare solidă am vorbit foarte des în ultimul an, pentru că acestea par să reprezinte calea de a înlătura toate neajunsurile bateriilor actuale litiu-ion, păstrând în acelaşi timp tot ce au bun acestea. Inginerii japonezi de la TDK anunţă acum că au realizat un salt incredibil de tehnologie, prin care au creat bateria cu stare solidă cu densitate energetică record, de 100 ori mai mare decât tehnologia actuală a companiei.

Marea deosebire a unei baterii cu stare solidă faţă de una obişnuită constă în tipul electrolitului său — acel strat situat între electrozi, catod şi anod, care îi separă dar care permite totodată migrarea ionilor dintr-o parte în alta la încărcarea şi descărcarea bateriei. Bateriile obişnuite litiu-ion au un electrolit lichid, în timp ce cele cu stare solidă pot experimenta cu electroliţi metalici, ceramici sau alte materiale care să aibă stare solidă, dar care au nevoie de o structură suficient de poroasă încât să poată permite migrarea electronilor. În mod similar, bateriile cu stare semisolidă au electroliţi cu o stare intermediară între cea solidă şi lichidă, de obicei sub forma unor geluri.

Foto: Electrolit pe bază de folie ceramică dintr-o baterie cu stare solidă

În ultimul an au apărut evoluţii majore în bateriile cu stare solidă, multe din ele folosind în continuare litiul ca material de bază, precum cele de la QuantumScape sau StoreDot, dar totodată au fost anunţate şi baterii care nu doar că au electrolit solid, ci renunţă şi la folosirea litiului şi a oricăror metale rare în electrozi, aici exemplul bateriei Northvolt fiind cel mai elocvent.

În acelaşi timp, chiar dacă despre unele baterii anunţate pentru prima dată acum 1-2 ani auzim abia acum despre completarea testelor şi pregătirea pentru producţia de serie, există deja baterii cu stare solidă produse industrial la scară mare.

Foto: Bateria cu stare solidă QuantumScape

Şi aici nu ne referim doar la producătorii chinezi care, au tot anunţat maşini cu asemenea baterii în ultima jumătate de an, dar o parte dintre care fie au în continuare puţină informaţie confirmativă despre acestea, fie s-au dovedit a fi cu stare semisolidă până la urmă. Exemplele de producţie în serie vin, de exemplu, de la compania franceză Blue Solutions, care produce de câţiva ani baterii cu stare solidă pentru autobuzele electrice Mercedes e-Citaro, doar că acolo, deşi densitatea energetică era mai mare, tehnologia încă incipientă necesita un timp de încărcare mai lung. Spunem „necesita” la trecut pentru că între timp şi Blue Solutions a evoluat în tehnologia bateriilor sare cu stare solidă şi a anunţat bateria ce asigură 1.000 km autonomie şi poate fi încărcată în 20 minute, odată cu asta anunţând şi o nouă fabrică în Franţa, care va fi construită cu ajutorul UE. Ei bine, un alt producător care are deja în producţia de serie baterii cu stare solidă, despre care foarte puţini ştiu, e TDK, acea companie japoneză de electronice de cel mai vast diapazon posibil.

Foto: Producţia de baterii cu stare solidă în Franţa, la Blue Solutions

Cei de la TDK au anunţat încă în 2017 bateriile cu stare solidă pe nume CeraCharge, care aveau electrolit format din material ceramic. Către anul 2020, TDK le-a şi plasat în producţie, dar era vorba de baterii mici, fie de vorbă dreptunghiulară, de 4,4 x 3,0 x 1,1 mm, fie de formă cilindrică mică, aşa-numitele baterii de tip nasture, sau de tip monedă, cu un diametru care putea avea şi doar 3,5 mm. Deci vorbim de baterii pentru tot soiul de dispozitive electronice mici, precum ceasuri, senzori şi altele similare.

Acele baterii CeraCharge deja şi-au câştigat o reputaţie excelentă în parametrii lor de funcţionare în aceşti câţiva ani de când există pe piaţă, mai ales că pot funcţiona în siguranţă la temperaturi de la -20 la +80 grade Celsius, ceea ce le-a făcut posibilă implementarea până şi în termometre culinare, care măsoară temperatura cărnii în interior. Iar acest tip de baterie despre care vorbim e unul reîncărcabil. Şi asta e o tehnologie actuală, produsă deja de câţiva ani de TDK, cu o densitate energetică de aproximativ 10 Wh per litru de volum. Comparabil cu bateriile folosite la maşinile electrice, densitatea e relativ mică, pentru că o maşină cu o baterie de 80 kWh ar trebui să aibă un volum de 8.000 litri, deci 8 metri cubi, ceea ce e total nefezabil. De asta n-am auzit prea multe de aceste baterii cu stare solidă în lumea auto, însă în lumea dispozitivelor mici, unde capacităţile de stocare necesare sunt mai mici, ele aveau performanţe foarte bune.

Foto: Construcţia schematică a bateriilor CeraChrge de la TDK

Ei bine, noul salt tehnologic, pe care îl anunţă inginerii TDK, vine tot pe baza bateriei CeraCharge. Mai exact, e vorba de materiale noi folosite în electrozi şi electrolit. Electrolitul solid e unul bazat pe oxizi, iar anodul e realizat din aliaj de litiu. Combinarea schimbării de materiale realizată atât în electrozi, cât şi în electrolit, a permis un salt enorm în densitatea energetică, TDK ajungând acum la 1.000 Wh/litru, ceea ce e de 100 ori mai mult decât tehnologia actuală CeraCharge!

Deci, practic, o baterie de 1 kWh capacitate ar avea volumul unui pachet de lapte de 1 litru, ceea ce e deja mult mai bine decât media standardelor actuale chiar şi pentru maşinile electrice. O baterie de 80 kWh ar trebui să aibă 10 cm înălţime, 80 cm lăţime şi doar 1 metru lungime, ceea ce ar lăsa practic jumătate din podeaua maşinii liberă sau ar putea permite bateriei să devină mult mai subţire.

Foto: Electrolitul noii baterii cu stare solidă TDK cu densitate energetică record

Pentru comparaţie, bateria Blade a celor de la BYD, are 552 Wh/litru, deci e practic în jumătate la densitatea energetică raportată la volum faţă de cea anunţată de TDK acum. Chiar şi bateria Tesla cea mai nouă, numită 4680, are 622,4 Wh/litru la nivel de celule, nu la nivel de set, unde cifra ar fi mai mică. Până şi bateria cu stare solidă QuantumScape are anunţată o densitate energetică de 800 Wh/litru la nivel de carcasă finală a bateriei. Deci, noua baterie cu stare solidă TDK ar fi dublu mai densă decât multe din bateriile LFP sau litiu-ion moderne, şi ar fi practic egală sau uşor superioară faţă de cele mai avansate baterii cu stare solidă anunţate pentru maşinile electrice, care abia urmează a fi puse în producţie. Şi, desigur, faţă de bateriile CeraCharge anterioare saltul e de 100 ori, iar faţă de alţi concurenţi din aceeaşi nişă a bateriilor mici, care au cam 50 Wh/litru, noua baterie ar fi de 20 de ori mai densă decât acestea.

Foto: Utilaje unde are lor microperforarea electroliţilor solizi din noile baterii TDK

Aşadar, deşi a făcut un salt tehnologic imens care i-ar permite să intre rapid şi în lumea bateriilor cu stare solidă furnizate maşinilor, TDK anunţă că noua tehnologie va merge iniţial doar la bateriile CeraCharge mici pentru dispozitive electronice. Graţie densităţii energetice record, dispozitive precum ceasuri, căşti wireless, aparate auditive, ceasuri smart, vor putea deveni mult mai performante, cu o durată de viaţă mai mare a bateriei. Multe din aceste dispozitive vor renunţa la bateriile clasice de forma unui nasture în favoarea noii tehnologii. Iar noua tehnologie vine la momentul perfect pentru noile reglementări din UE, care stipulează că bateriile mici din electronice trebuie să fi încărcabilă, renunţându-se la cele de unică folosinţă.

Abia ulterior noua tehnologie a bateriilor ar putea fi replicată în direcţia maşinilor electrice, fapt pe care TDK nu-l promite, dar nici nu-l exclude. Pur şi simplu compania japoneză a ales să implementeze saltul tehnologic pe care l-a obţinut acolo unde ea e cea mai puternică, iar dacă un producător mare de baterii de maşini va dori, va putea încheia eventual un acord cu cei de la TDK pentru scalarea tehnologiei la nivelul baterilor pentru vehicule electrice.