Inginerii BMW au patentat o nouă tehnologie a bateriilor cu stare solidă, prin care au rezolvat problemele acestora aproape în întregime

Bateriile cu stare solidă păreau a fi acum câţiva ani o tehnologie aflată în ceasul al 12-lea de dinainte de definitivarea şi plasarea ei în producţie. În acest răstimp multiplele echipe de ingineri şi companii care lucrează la acestea s-a divizat în două tabere. Unele, precum StoreDot au renunţat deocamdată la ele, indicând probleme majore, la fel ca şi Panasonic, care a declarat că acestea n-au viitor în lumea auto. Dar sunt mult mai mulţi cei care au continuat să avanseze şi în ultimele luni am auzit un număr enorm de evoluţii ce par a fi deja la fără cinci minute de marele salt tehnologic. Mercedes a reuşit deja să marcheze un record de autonomie în lumea reală cu un EQS experimental, echipat cu baterii cu stare solidă. Inginerii germani au echipat o motocicletă Ducati cu baterii cu stare solidă, până şi cei de la Rimac s-au aventurat în această tehnologie. Chinezii muncesc şi ei de zor la aceste tehnologii, având şi un consorţiu al bateriilor cu stare solidă creat, iar acum câteva luni mai mulţi mai producători din China au anunţat teste avansate cu ele, precum BYD, Huawei şi Xiaomi. Dar acum o mare surpriză vine şi de la inginerii BMW, care au patentat o nouă tehnologie a bateriilor cu stare solidă, prin care au rezolvat cea mai mare parte a problemelor acestora.

Care a fi aceste probleme? Ei bine, prin definiţie, bateriile cu stare solidă au electrolit creat din materia solid, nu lichid şi nu gel, cum se întâmplă la celelalte. Electrolitul e materialul care, ajutat de separatori, stă între anod şi catod şi nu permite contactarea directă între ele, dar totodată permite trecerea ionilor dintr-o parte în alta în procesul descărcării şi încărcării. Când electrolitul e lichid, el e mai susceptibil la temperaturi foarte reci, când se solidifică un pic şi-şi reduce permeabilitatea, motiv din care bateriile acceptă putere mai mică de încărcare şi descărcare în condiţii de ger.

Foto: Electrolitul solid ceramic din baterie cu stare solidă

De asemenea la temperaturi extreme, foarte calde sau foarte reci, acest electrolit începe a reţine electronii în calea lor dintr-o parte în alta şi accelerează procesul depunerii lor pe el. Un electrolit cu depuneri pe el va fi mai puţin permeabil ulterior, ceea ce înseamnă că va avea putere mai mică, iar acele depuneri de pe el au ieşit din circuitul bateriei, ceea ce înseamnă că au rămas mai puţin utili, deci a scăzut capacitatea. Asta e ceea ce numim de gradare.

Foto: Aşa arată formarea dendritelor în timp la bateriile litiu-ion obişnuite, cu electrolit lichid, aceste depuneri determinându-le şi degradarea

Iar bateriile cu stare solidă, prin faptul că au electrolit solid, care nu e la fel de sensibil la schimbări de temperatură, nu sunt la fel de supuse degradării, pot opera la un diapazon are de temperatură şi pot accepta puteri mai mari. Exact ce de dorim cu toţii — baterii care se încarcă repede, funcţionează la fel în orice temperaturi şi nu degradează în timp aproape de loc. Asta e partea frumoasă a acestor baterii, care i-a motivat pe mulţi ingineri să muncească ani la rând în dezvoltarea lor.

Foto: Celule de baterii cu stare solidă

Problemele lor vin de la acelaşi electrolit solid, care, fiind solid, poate fi susceptibil la vibraţii în contactul său cu electrozii. La o baterie obişnuită, lichidul electrolitului asigură contactul şi în condiţii de vibraţii. La una cu stare solidă nu există lichid şi de asta e nevoie de alte soluţii, inclusiv o presiune internă care să asigure acest contact mai bun. De asemenea, bateriile cu stare solidă îşi modifică mai mult volumul în funcţie de încărcare şi descărcare de obicei, iar asta face ca modulele să necesite de obicei să lase spaţiu pentru acea dilatare de volum, asigurându-se totodată că presiunea în interiorul acelui volum rămâne în limita parametrilor necesari.

Presiunea internă în aceste baterii devine astfel un element foarte important în aceste baterii cu stare solidă şi chiar inginerii Mercedes, care au parcurs distanţa record de peste 1.200 km cu acel EQS, au menţionat că au rezolvat problema prin montarea unor actuatoare de presiune în carcasa bateriei, pentru a ajusta continuu presiunea la nivelul corect.

Foto: Bateria cu celule cu stare solidă de pe Mercedes EQS experimental

Toate astea fac ca şi producţia acestor celule şi module să fie foarte diferită de cele litiu-ion obişnuite. O mare parte din bateriile cu stare solidă de până acum aveau celule de tip plic, cu pereţi flexibil, ele fiind grupe în module rigide. Există şi unele încercări de a le face prismatice, cu carcasă mai dură la nivel de celulă, dar acele carcase tot trebuie să lase spaţiu interior pentru variaţia de volum. Desigur, există şi baterii cu stare solidă mai înrădăcinate, de forma unor monede, care sunt folosite mai demult în aplicaţi foarte specifice, dar nu în lumea auto. Dar cei de la BMW au reuşit să gândească neconvenţional, simplificând la maxim producţia de serie a bateriilor cu stare solidă şi făcându-le compatibile cu celulele actuale.

Practic, noua patentă a inginerilor BMW stipulează că noua lor tehnologie permite ca straturile componente să fie amplasate în interiorul celulelor de tip şi dimensiuni deja folosite cu compoziţie litiu-ion NMC — deci şi prismatice, şi chiar cilindrice.

Marea deosebire a tehnologiei BMW e în faptul că celulele lor vor fi rigide şi vor susţine presiunea internă încapsulată, astfel încât volumul exterior al celulelor să rămână nemodificat şi să poată garanta şi o densitate energetică mai mare. Iar asta înseamnă că, carcasa bateriei de pe un BMW iX3 din familia Neue Klasse, de exemplu, va putea avea celule de aceeaşi formă şi acelaşi număr, adoptând cu uşurinţă compoziţia cu stare solidă cu modificări minime în modulele de control, care vor ţine cont de capacitatea mai mare de stocare şi puterea mai mare acceptată.

Ca să poată atinge asta, noua patentă BMW specifică şi faptul că în interiorul celulei vor exista straturi repetitive, amplasate paralele cu latura cea mai mică în suprafaţă — la bateriile prismatice cu latura laterală îngustă, iar la celule cilindrice straturile vor fi circulare, paralele cu baza circulară a cilindrului.

Aceste straturi, care conţin şi electroliţi solizi pe bază de polimeri şi ceramică, sunt amplasaţi în procesul de producţie, lăsându-se un pic de spaţiu liber, în mod similar cu rosturile de dilataţie. La prima încărcare a bateriei, anodul, format din compus bogat în siliciu sau de litiu metalic aproape pur, se va dilata puternic, în timp ce catodul se va contracta mai puţin. Această creştere de volum a anodului, cooptată cu carcasa exterioară cilindrică sau prismatică rigidă, creează presiunea internă dorită pentru bateriile cu stare solidă, care va asigura faptul că aceste baterii nu vor fi vulnerabile la vibraţii şi vor funcţiona stabil.

Partea curioasă a tehnologiei e că la început, în faza de producţie, bateria are o stare epuizată de încărcare, pe care ulterior n-o mai atinge niciodată. Iar asta face ca ulterior, după prima încărcare, când bateria ajunge la descărcare, anodul să rămână în continuare mai mare în volum decât era înainte e primul ciclu de încărcare, şi astfel o mare parte din presiunea internă din celulă se păstrează. Presiunea va varia în stările de încărcare şi descărcare a bateriei, dar ea va fi întotdeauna mai mare decât cea atmosferă şi va asigura pasiv diapazonul necesar funcţionării ireproşabile a acestor celule.

Faptul că BMW amplasează straturile paralel cu latura cea mai mică a permis lăsarea a mai puţin spaţiu pentru dilatare şi atingerea unei densităţi energetice mult mai mare decât alte baterii cu stare solidă testate. Astfel, ingineri BMW au reuşit să rezolve problema pierderilor mari de volum ce trebuiau lăsate pentru extinderea unor celule de tip plic şi au putut crea celule prismatice şi cilindrice cu stare solidă pentru prima dată, ceea ce le uşurează enorm procesul de fabricaţie a scară mare. Şi datorită presiunii interne creată pasiv la prima încărcare, nu e nevoie de compresoare şi actuatoare pentru a asigura presiunea dorită, iar astfel riscul contactului slab a fost rezolvat.

Inginerii BMW menţionează doar că e absolut crucial acel prim ciclu de încărcare, or, el trebuie realizat neîntrerupt până la 100%, la putere corectă. De asta, e foarte probabil ca acest prim ciclu să trebuiască a fi făcut în condiţii controlate de fabrică, pentru a nu lăsa riscul unor erori pe seama cumpărătorilor. Mai există şi o specificare că bateria nu trebuie să coboare sub 5% de încărcare efectivă, dar asta e simplu să se rezolve prin recalibrarea electronică a ce înseamnă 0% descărcare, când ele pot însemna, de fapt 7-8% de facto ale bateriei, pentru a nu ajunge niciodată la o stare prea descărcată a bateriei. Dar, dincolo de aceste mici provocări, se pare că inginerii BMW au rezolvat într-adevăr o mare parte din dilemele bateriilor cu stare solidă şi ne sugerează că într-un viitor apropiat vom vedea acest tip de baterii pe modelele din familia Neue Klasse.