Widziałeś to tytuły: Odkrycie akumulatorów na zawsze zmieni pojazdy elektryczne. A potem… cisza. Idziesz do lokalnego salonu i wszystkie samochody wyglądają i działają tak samo.
WIRED był zirytowany tym zjawiskiem. Rozmawialiśmy więc z ekspertami w dziedzinie technologii akumulatorów o tym, co tak naprawdę dzieje się z akumulatorami pojazdów elektrycznych. Jakie technologie tu są? Które zapewne będą, ale jeszcze ich nie było, zatem nie wstrzymujcie oddechu? Które prawdopodobnie nie nadejdą w najbliższym czasie?
„Łatwo ekscytować się tymi rzeczami, ponieważ akumulatory są tak złożone” – mówi Pranav Jaswani, analityk technologii w IDTechEx, firmie zajmującej się badaniami rynku. „Wiele małych rzeczy będzie miało tak duży efekt”. Dlatego wiele firm, w tym producenci samochodów, ich dostawcy i producenci akumulatorów, eksperymentuje z tak wieloma częściami do akumulatorów. Zamień jeden materiał przewodzący prąd na inny, a zasięg akumulatora pojazdu elektrycznego można zwiększyć o 80 km. Zmień sposób montażu akumulatorów, a producent samochodów będzie mógł obniżyć koszty produkcji na tyle, aby zapewnić konsumentom przerwę w sprzedaży.
Mimo to eksperci twierdzą, że wprowadzenie nawet niewielkich zmian w samochodach produkcyjnych może zająć dużo czasu – czasami 10 lat lub dłużej. „Oczywiście chcemy mieć pewność, że wszystko, co włożymy w pojazd elektryczny, działa dobrze i spełnia standardy bezpieczeństwa” – mówi Evelina Stoikou, która kieruje zespołem ds. technologii akumulatorów i łańcucha dostaw w firmie badawczej BloombergNEF. Zapewnienie tego oznacza, że naukowcy opracowują nowe pomysły, a dostawcy zastanawiają się, jak je wdrożyć; Z drugiej strony producenci samochodów rygorystycznie testują każdą iterację. Cały czas wszyscy zadają sobie najważniejsze pytanie: czy ta poprawa ma sens finansowy?
Logiczne jest więc, że nie każdy przełom w laboratorium trafia na rynek. Oto te, które naprawdę się liczą — i te, które nie radzą sobie zbyt dobrze, przynajmniej jak dotąd.
To się naprawdę dzieje
Wszystkie najważniejsze przełomy w dziedzinie akumulatorów mają jedną wspólną cechę: są związane z akumulatorem litowo-jonowym. Istnieją inne składy chemiczne akumulatorów – więcej o nich później – ale w następnej dekadzie trudno będzie dogonić dominującą formę akumulatorów. „Litowo-jonowy jest już bardzo dojrzały” – mówi Stoikou. Wielu graczy zainwestowało duże pieniądze w tę technologię, więc „każdy nowy gracz na rynku będzie musiał konkurować ze status quo”.
Fosforan litowo-żelazowy
Dlaczego to ekscytujące: W akumulatorach LFP wykorzystuje się żelazo i fosforany zamiast droższego i trudnego do znalezienia niklu i kobaltu, które można znaleźć w konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych. Są również bardziej stabilne i ulegają wolniejszej degradacji po wielokrotnym uzupełnianiu. Konkluzja: akumulatory LFP mogą pomóc w obniżeniu kosztów produkcji pojazdów elektrycznych, co jest szczególnie ważne, ponieważ zachodni przemysł elektryczny ma trudności z konkurowaniem pod względem kosztów z konwencjonalnymi samochodami napędzanymi gazem. Akumulatory LFP są już powszechne w Chinach, a w nadchodzących latach staną się coraz bardziej popularne w europejskich i amerykańskich pojazdach elektrycznych.
Dlaczego jest to trudne?: LFP ma mniejszą moc niż alternatywne rozwiązania, co oznacza, że nie można zapakować tak dużego ładunku – ani zasięgu – do każdej baterii.
Więcej nikli
Dlaczego to jest ekscytujące: Zwiększona zawartość niklu w akumulatorach litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych zwiększa gęstość energii, co oznacza większy zasięg w zestawie akumulatorowym bez znacznie większego rozmiaru i wagi. Ponadto więcej niklu może oznaczać mniej kobaltu, metalu, który jest zarówno drogi, jak i etycznie wątpliwy w pochodzeniu.
Dlaczego jest to trudne?: Baterie o wyższej zawartości niklu są potencjalnie mniej stabilne, co oznacza, że niosą ze sobą większe ryzyko pęknięcia lub niekontrolowanej zmiany temperatury – pożaru. Oznacza to, że producenci akumulatorów eksperymentujący z różną zawartością niklu muszą poświęcać więcej czasu i energii na uważne projektowanie swoich produktów. Ta dodatkowa wybredność oznacza większy wydatek. Z tego powodu należy spodziewać się większego wykorzystania niklu w wysokiej klasy akumulatorach pojazdów elektrycznych.
Procedura suchej elektrody
Dlaczego to ekscytujące: Zwykle elektrody akumulatorowe wytwarza się przez zmieszanie materiału w roztworze rozpuszczalnika, który następnie nanosi się na metalową folię odbieraka prądu, suszy i prasuje. Proces suchej elektrody redukuje rozpuszczalniki poprzez zmieszanie materiału w postaci suchego proszku przed nałożeniem i laminowaniem. Mniej rozpuszczalników oznacza mniej problemów związanych ze środowiskiem, zdrowiem i bezpieczeństwem. Wyeliminowanie procesu suszenia może zaoszczędzić czas produkcji i zwiększyć wydajność, jednocześnie zmniejszając zajmowaną powierzchnię wymaganą do produkcji akumulatorów. Wszystko to może prowadzić do tańszej produkcji, „co powinno wpłynąć na produkcję tańszego samochodu” – mówi Jaswani. Tesla wdrożyła już proces suchej anody w produkcji akumulatorów. (Anoda to elektroda ujemna, która przechowuje jony litu podczas ładowania akumulatora). LG i Samsung SGI pracują także nad pilotażowymi liniami produkcyjnymi.
Dlaczego jest to trudne?: Stosowanie suchych proszków może być technicznie bardziej skomplikowane.
Komórka do pakowania
Dlaczego to ekscytujące: W standardowym akumulatorze pojazdu elektrycznego poszczególne ogniwa są pogrupowane w moduły, które następnie łączy się w zestawy. Inaczej jest w przypadku metody cell-to-pack, która umieszcza komórki bezpośrednio w strukturze paczki, bez konieczności wykonywania modułu pośredniego. Dzięki temu producenci akumulatorów mogą zmieścić więcej akumulatorów na tej samej przestrzeni, co może zapewnić dodatkowe 80 km zasięgu i wyższą prędkość maksymalną – mówi Jaswani. Obniża także koszty produkcji, co stanowi oszczędność, którą można przenieść na kupującego samochód. Główni producenci samochodów, w tym Tesla i BYD, a także chiński gigant akumulatorowy CATL, już korzystają z tej technologii.
Dlaczego jest to trudne?: Bez modułu kontrolowanie niestabilności termicznej i utrzymanie struktury akumulatora może być trudniejsze. Ponadto połączenie ogniw z pakietem znacznie utrudnia wymianę wadliwego akumulatora, co oznacza, że drobne wady mogą wymagać otwarcia lub nawet wymiany całego pakietu.
Anody krzemowe
Dlaczego to ekscytujące: Akumulatory litowo-jonowe mają anody grafitowe. Dodanie krzemu do mieszanki może jednak przynieść duże korzyści: więcej magazynowania energii (co oznacza większy zasięg) i szybsze ładowanie, potencjalnie aż do aż sześciu do 10 minut na każde ładowanie. Tesla dodaje już trochę krzemu do swoich grafitowych anod, a inni producenci samochodów – Mercedes-Benz, General Motors – twierdzą, że zbliżają się do masowej produkcji.
Dlaczego jest to trudne?: Krzem będący stopem litu rozszerza się i kurczy podczas cyklu ładowania i rozładowywania, co może powodować naprężenia mechaniczne, a nawet pęknięcia. Z biegiem czasu może to prowadzić do bardziej dramatycznych spadków pojemności baterii. Na razie anody krzemowe częściej można znaleźć w mniejszych bateriach, takich jak te w telefonach, a nawet motocyklach.
To się zdarza
Technologia baterii w kategorii bardziej spekulacyjnej przeszła wiele testów. Ale to jeszcze nie ten moment, w którym większość producentów buduje linie produkcyjne i instaluje je w samochodach.
Baterie sodowo-jonowe
Dlaczego to jest ekscytujące: Sód — jest wszędzie! W porównaniu z litem pierwiastek ten jest tańszy oraz łatwiejszy do znalezienia i przetworzenia, co oznacza, że znalezienie materiału do produkcji akumulatorów sodowo-jonowych może zakłócić łańcuch dostaw producentów samochodów. Baterie wydają się również działać lepiej w ekstremalnych temperaturach i są bardziej stabilne. Chiński producent akumulatorów CATL twierdzi, że rozpocznie masową produkcję akumulatorów w przyszłym roku i że akumulatory te mogą ostatecznie pokryć 40 procent chińskiego rynku pojazdów osobowych.
Dlaczego to jest trudne: Jony sodu są cięższe niż jony litu, więc zazwyczaj przechowują mniej energii na baterię. Dzięki temu będą bardziej odpowiednie do przechowywania akumulatorów niż do pojazdów. To także początek rozwoju tej technologii, co oznacza mniejszą liczbę dostawców i mniej sprawdzonych procesów produkcyjnych.
Baterie półprzewodnikowe
Dlaczego to jest ekscytujące: Producenci samochodów od lat obiecują, że rewolucyjne akumulatory półprzewodnikowe są tuż za rogiem. Byłoby wspaniale, gdyby to była prawda. Technologia ta zastępuje elektrolity płynne lub żelowe w konwencjonalnym akumulatorze litowo-jonowym elektrolitem stałym. Elektrolity te powinny mieć różny skład chemiczny, ale wszystkie mają kilka wielkich zalet: wyższą gęstość energii, szybsze ładowanie, większą trwałość, mniejsze ryzyko bezpieczeństwa (bez ciekłego elektrolitu, brak wycieków). Toyota twierdzi, że w 2027 lub 2028 r. w końcu wprowadzi na rynek swoje pierwsze pojazdy z akumulatorami półprzewodnikowymi. BloombergNEF przewiduje, że do 2035 r. akumulatory półprzewodnikowe będą stanowić 10 procent produkcji i magazynowania pojazdów elektrycznych.
Dlaczego jest to trudne?: Niektóre elektrolity stałe są trudne do tolerowania w niskich temperaturach. Największe problemy wiążą się jednak z produkcją. Montaż nowych akumulatorów wymaga nowego sprzętu. Bardzo trudno jest zbudować warstwy elektrolitu bez defektów. Branża nie osiągnęła porozumienia co do tego, jakiego elektrolitu stałego użyć, co utrudnia tworzenie łańcuchów dostaw.
Może to się stanie
Dobre pomysły nie zawsze mają sens w realnym świecie.
Ładowanie bezprzewodowe
Dlaczego to ekscytujące: Zaparkuj samochód, wyjdź i poczekaj, aż się naładuje – bez gniazdek. Bezprzewodowe ładowanie może być szczytem wygody i niektórzy producenci samochodów nalegają, aby to rozwiązanie pojawiło się na rynku. Na przykład Porsche prezentuje prototyp i planuje wypuszczenie prawdziwego egzemplarza w przyszłym roku.
Dlaczego jest to trudne?: Problem polega na tym, mówi Jaswani, że technologia stojąca za ładowarkami, które mamy obecnie, działa doskonale i jest znacznie tańsza w instalacji. Oczekuje, że w końcu ładowanie bezprzewodowe pojawi się w niektórych ograniczonych przypadkach – być może na przykład w autobusach, które będą mogły być ładowane na trasie, jeśli staną na ładowarce. Ale ta technologia może nigdy nie stać się głównym nurtem, mówi.
