Inginerul şef CATL a dezvăluit noua tehnologie de baterii cu o densitate energetică similară benzinei, la care lucrează echipa sa

CATL e cel mai mare producător de baterii din lume, chinezii mândrindu-se nu doar cu capacitatea de a produce baterii în cantităţi uriaşe, ci şi cu faptul că investesc enorm în cercetare şi dezvoltare şi sondează în permanenţă noi tehnologii. Doar în acest an, CATL a lansat o nouă baterie LFP cu viteză de încărcare enormă, similară celor cu stare solidă, o altă baterie litiu-ion NMC cu compoziţie normală şi alta cu conţinut concentrat de nichel pentru o densitate energetică şi mai mare, iar mai devreme lansa şi bateria sodiu-ion, imună la frig şi adusă la o densitate energetică viabilă mai ales pentru camioane şi maşini cu autonomie medie. Dar de curând inginerul şef al CATL, Wu Kai, a dezvăluit public la un forum din China noua tehnologie de baterii la care lucrează echipa sa, marele avantaj al căreia e densitatea energetică similară benzinei. Noua tehnologie e numită litiu-aer şi e extraordinar de promiţătoare pe hârtie, dar totodată extraordinar de dificilă de adus la producţia de serie.

Inginerul şef al CATL, Wu Kai

Densitatea energetică posibilă teoretic pentru noua tehnologie e de 12.000 Wh/kg la nivel de celulă, ceea ce constituie o valoare absolut fenomenală, de zeci de ori mai mare decât cele mai performante baterii actuale. Pentru comparaţie, noua baterie litiu-ion pe care CATL a lansat-o în primăvară are o densitate de 280 Wh/kg în versiunea normală şi 360 Wh/kg în versiunea concentrată. Chiar şi bateria pe care CATL o dezvoltă pentru aviaţie, dar încă în proces de perfecţionări şi testări, are 500 Wh/kg. Prin urmare, 12.000 Wh/kg ar însemna de 24 de ori mai mult decât acea baterie de aviaţie, de 33 ori mai mult decât bateria concentrată lansată în primăvară şi de 43 ori mai mult decât bateria cu densitate standard din primăvară.

La 12.000 Wh/kg, asta ar însemna efectiv că o celulă de 1 kg greutate ar avea 12 kWh capacitate de stocare. O baterie mare, de 84 kWh, ar avea celule care cântăresc doar 7 kg, la care s-ar mai adăuga greutatea carcasei bateriei.

Paradoxul e că la o valoare de 12 kWh/kg, densitatea energetică devine aproape egală cu cea a benzinei. Un litru de benzină are circa 8,9 kWh de energie conţinută în el, iar 1 litru de benzină cântăreşte circa 0,77 kg. Deci, pentru 1 kg de benzină în masă, e nevoie de 1,3 litri, ceea ce echivalează cu aproximativ 12 kWh/kg. Benzina poate varia mai mult în densitate, şi chiar la o valoare mai mare a densităţii, cifra se ridică la aproximativ 12,8 kWh/kg.

Prin urmare, noua baterie CATL ar putea avea o densitate energetică similară cu benzina, doar că la benzină, arderea prin motorul cu combustie iroseşte mai mult de jumătate de energie, în timp ce la o maşină electrică, randamentul cap coadă poate atinge şi 88-90%, iar uneori chiar mai mult. Prin urmare, dacă o maşină poate avea rezervor de benzină de 60 litri, care cântăreşte 46,2 kg, atunci o maşină electrică, ce ar avea 46,2 kg în celule de baterii cu noua tehnologie ar avea o capacitate uriaşă de 554 kWh şi ar parcurge şi 2.500-3.000 km cu o încărcare, mai ales că masa proprie a maşinii electrice n-ar mai fi la fel de mare ca în prezent.

În ce constă secretul noii tehnologii dezvoltate de CATL, deci, şi cât de realistă e ea? E vorba de o bateri litiu-aer, supranumită uneori şi baterie „care respiră”. La o baterie normală litiu-ion, electronii de litiu sunt cei care călătoresc între catod şi anod în procesul de descărcare şi încărcare, iar cea mai mare parte a greutăţii e formată din materialul „gazdă” din catod şi anod, precum cobaltul, nichelul, manganul, fosfatul de fier la bateriile LFP, grafitul. La noua baterie litiu-ion a rămas în ecuaţie aproape doar litiul.

Mai exact, anodul e format de o folie de litiu metalic, şi nimic altceva, decât colectoarele de coerent şi membrana separatoare de electrolit. Catodul e realizat dintr-o structură poroasă ultra uşoară, aparent formată din carbon, pentru a adăposti uşor electronii de litiu.

În procesul descărcării, electronii din litiu de pe anod trec prin electrolit şi ajung în catod, intrând în structura poroasă, unde aceştia întâmpină oxigenul din structura poroasă şi intră în reacţie cu el. Varianta idealistă e ca în această reacţie să se poată forma oxidul de litiu Li2O, însă tendinţa bateriilor litiu-aer studiate şi explorate până acum era că această reacţie forma mai degrabă peroxidul de litiu, Li2O2. Tendinţa inginerilor, însă, e de a asigura formarea Li2O, or, astfel patru electroni de litiu se asociază cu o moleculă de oxigen, spre deosebire de versiunea Li2O2 au Li20 când doar unul sau doi electroni de litiu se asociază cu o moleculă de oxigen. Practic, asta e cheia densităţii energetice mult mai mari, dacă se reuşeşte definitivarea unui proces care să asigure de fiecare dată asocierea a 4 molecule de litiu cu o singură moleculă de oxigen la descărcare.

În acest proces de descărcare, masa anodului scade uşor, întrucât electronii de litiu pleacă de acolo şi ajung în catod. În acelaşi timp, în tot acest proces de pătrundere a electorilor de litiu în catod, ei „trag” oxigen din exterior, pe care-l consumă pentru a asigura reacţia de descărcare, de aici venind şi denumirea de baterie care „respiră”.

La încărcarea bateriei, procesul e inversat şi oxidul de litiu e descompus, oxigenul fiind eliberat înapoi, iar ionii de litiu întorcându-se în anod, unde se depun pe folia rămasă, „crescând-o” uşor.

Asta face bateria să respire, eliberând oxigen la încărcare şi trăgând oxigen la descărcare. Dar prezenţa doar a litiului ca material activ, însoţit de o structură poroasă uşoară şi un electrolit, îi permite bateriei să aibă o densitate energetică enormă, precum cea menţionată mai sus.

Însă, aşa cum spuneam, bateria sună frumos în teorie şi e foarte greu să se asigure funcţionarea ei viabilă în practică. În primul rând, catodul trebuie să aibă canale de acces uşor şi echivalent al aerului, iar aerul nu e perfect de curat. Orice impurităţi pot ajunge să se depună în structura poroasă a catodului. Teoretic, problema poate fi rezolvată cu încapsularea bateriei şi furnizarea de oxigen curat dintr-un rezervor, unde oxigenul ar fi refolosit la fiecare ciclu. Dar în practică până şi oxidul de litiu sau peroxidul de litiu se pot depune pe acea structură, chiar şi fără alte impurităţi. Iar asta înseamnă că acel material nu mai participă la reacţii şi are loc o degradare a bateriei. Iar bateriile litiu-aer cercetate în prezent, cu sisteme incipiente de menajare a acestor efecte adverse, au deocamdată o durată de viaţă prea mică pentru a ajunge în comercializare, în pofida densităţii energetice mari.

Însă cei de la CATL şi-au făcut în ultimii ani reputaţia de a prelua tehnologii existente şi aparent dificile şi a le perfecţiona prin mici paşi de contingenţă multilaterală, pentru ca în final să se obţină efectul dorit. Aşa s-a întâmplat şi la bateriile sodiu-ion, pe care nu le vedea nimeni cu vreo şansă pentru maşinile electrice. Da CATL le-a perfecţionat până la 175 Wh/kg şi le-a lansat în serie. Această abordare e acum realizată de inginerii CATL şi-n dezvoltarea noii tehnologii litiu-aer.

Va fi nevoie de multă muncă, şi probabil se vor folosi catalizatori integraţi în catod pentru a se asigura că reacţia forează oxid de litiu, nu peroxid. De asemenea, inginerul şef CATL n-a menţionat în mod expres acest lucru, dar estimăm că se va opera cu oxigen pur, pentru a putea obţine reacţia corectă şi o densitate atât de mare.

Şi densitatea de 12 kWh/kg ar fi probabil ceva mai maică dacă luăm în considerare şi sistemul de furnizare a oxigenului, şi catalizatoarele necesare, şi toată carcasa. Dar, chiar dacă pe lângă cele 46 kg necesare pentru 550 kWh ar mai fi alocate 150 kg pentru toate aceste structuri, bateria finală tot ar cântări sub 200 kg, pentru o autonomie de 2.500-3.000 km! La o asemenea autonomie, ea ar putea chiar să se încarce şi ceva mai lent, şi oricum ar fi un salt tehnologic imens, care ar schimba semnificativ nu doar maşinile electrice, ci şi o multe de alte tipuri de transport, de la trenuri şi nave, până la submarine şi avioane.