Nova tehnologija baterija: od vodenog cink-joda do baterija u čvrstom stanju iz Kine

Baterije prolaze kroz duboku transformaciju: dok litijum-jonske baterije i dalje dominiraju tržištem, nove tehnologije baterija počinju da se ukorjenjuju , s ciljem veće sigurnosti, dužeg vijeka trajanja i boljeg prilagođavanja vrlo specifičnim upotrebama, od električnih vozila do masovnog skladištenja obnovljive energije. Za samo nekoliko godina, situacija bi mogla biti sasvim drugačija od današnje.

Među prijedlozima koji dobijaju na popularnosti su cink-jodne baterije na bazi vode , dizajnirane za velike stacionarne instalacije, i baterije u čvrstom stanju sa vrlo visokom gustinom energije , spremne da značajno poboljšaju domet električnih vozila. Veliki dio podsticaja dolazi od azijskih istraživačkih centara i proizvođača, ali će se njegov uticaj osjetiti i u Evropi.

Nove vodene cink-jodne baterije: sigurnije i sa izuzetno dugim vijekom trajanja

Grupa istraživača sa Univerziteta Flinders (Australija) predstavila je vodenu cink-jodnu bateriju koja nudi drugačiji pristup u odnosu na konvencionalne litijum-jonske ćelije. Umjesto zapaljivih organskih elektrolita, ova tehnologija koristi elektrolit na bazi vode , što značajno smanjuje rizik od pregrijavanja i požara uzrokovanih termalnim preopterećenjem.

Cink-jodne baterije nisu nova ideja; proučavaju se već decenijama . Međutim, njihovo usvajanje je otežavao specifičan problem: istiskivanje polijodida, hemijski fenomen koji uzrokuje migraciju joda kroz separator ćelija, što dovodi do brze degradacije baterije uz kontinuiranu upotrebu.

Australijski tim je prevazišao ovu prepreku dizajnirajući molekularni "kavez" sposoban da zadrži jodna jedinjenja bez ometanja neophodnih elektrohemijskih reakcija. Da bi to postigli, koristili su polimere izvedene iz ciklodekstrina , cikličnih molekula iz škroba, koji se godinama koriste u sektorima kao što su hrana i kozmetika, a koji sada pronalaze drugačiju primjenu u oblasti skladištenja energije.

Ovi ciklodekstrini imaju hidrofilnu vanjštinu i hidrofobnu unutrašnju šupljinu. Ova kombinacija omogućava da se polijodidi zarobe unutar polimerne strukture, sprječavajući njihovo slobodno kretanje kroz bateriju. Rezultat je sistem koji ublažava kretanje ovih jodnih vrsta, jednog od glavnih faktora koji uzrokuju habanje u cink-jodnim baterijama koje su do sada proučavane.

Tehnički podaci: ciklusi, kapacitet i vrijeme punjenja

Laboratorijski testovi pokazuju neuobičajene performanse za ovu vrstu tehnologije. U jednoj od testiranih konfiguracija, baterija postiže specifični kapacitet od oko 200-205 mAh/g za približno 8.000 punih ciklusa, s vremenom punjenja od oko sedam minuta od praznog do punog.

U drugoj varijanti dizajniranoj da maksimizira vijek trajanja, sistem postiže 60.000 ciklusa punjenja i pražnjenja , održavajući kapacitet od oko 150 mAh/g. U ovom slučaju, vrijeme potpunog punjenja je dodatno smanjeno na oko tri minute , što je znatno ispod onoga što mnoge trenutne baterije dozvoljavaju.

Prema tehničkoj dokumentaciji, ove ćelije rade na naponu između 1,3 i 1,4 V i pokazuju izuzetno nisku degradaciju po ciklusu, procijenjenu na između 0,0001% i 0,0003% tokom početnog testiranja. Važno je zapamtiti da su ovo prototipovi malog obima u laboratoriji , tako da ostaje da se vidi kako će se ponašati kada se dizajn implementira u veće baterije i stvarne uslove upotrebe.

Ključ ovog napretka leži u kombinaciji vrlo dugog vijeka trajanja i vrlo kratkog vremena punjenja , što je posebno korisno u primjenama gdje se ciklusi kontinuirano ponavljaju tokom cijelog dana. Za električne mreže s visokim udjelom obnovljivih izvora energije ili za rezervne sisteme, imati bateriju sposobnu izdržati desetine hiljada ciklusa može biti važnije od maksimiziranja gustoće energije.

Sigurnost, ograničenja i aplikacije: zašto to nećemo vidjeti na vašem mobilnom uređaju

Korištenje vodenog elektrolita nudi jasnu sigurnosnu prednost. Za razliku od zapaljivih organskih elektrolita koji se koriste u mnogim litijum-jonskim baterijama, voda drastično smanjuje rizik od požara i termičkog preopterećenja, što je problem i za prenosne uređaje i za velike instalacije.

Međutim, ova nova cink-jodna baterija ima značajan nedostatak kada se razmatra njena upotreba u pametnim telefonima, tabletima ili laptopima : njena volumetrijska gustoća energije je niža od one kod trenutnih litijum-jonskih ćelija. Za skladištenje iste količine energije, bio bi potreban veći volumen, što bi rezultiralo većim baterijama i, samim tim, debljim ili težim uređajima.

Iz tog razloga, sami istraživači isključuju mogućnost da će ova tehnologija zamijeniti litijumske baterije u potrošačkoj elektronici u kratkom roku . Njihov plan je jasno usmjeren ka stacionarnom skladištenju energije velikih razmjera , oblasti u kojoj su veličina i težina manje važne od izdržljivosti, sigurnosti i cijene po ciklusu.

Konkretno, primjene se spominju u instalacijama obnovljivih izvora energije - kao što su solarne elektrane ili vjetroelektrane -, postrojenjima za skladištenje energije povezanim na električnu mrežu i sistemima sposobnim za ublažavanje vršne potražnje. U Evropi, gdje je integracija obnovljivih izvora energije prioritet, ovakva rješenja mogla bi se uklopiti u projekte koji uključuju rezervno napajanje baterija za mrežu , ultrabrze stanice za punjenje ili komunalne objekte za skladištenje energije.

Iako je tehnologija još uvijek u ranoj fazi, rad obavljen u Australiji pokazuje da hemija cink-joda još uvijek ima prostora za poboljšanje. Ako se uspostavi, mogla bi dopuniti druge nove prijedloge u oblasti stacionarnog skladištenja energije, kao što su protočne baterije ili rješenja na bazi natrijuma, proširujući niz opcija izvan litijum-jonskih baterija.

Trka za čvrstim baterijama: skok u gustoći dolazi iz Kine

Dok su cink-jodne baterije prvenstveno namijenjene električnoj mreži i velikim infrastrukturnim projektima, drugi glavni trend u novoj tehnologiji baterija usmjeren je na električna vozila. Baterije u čvrstom stanju postale su vodeća nada za skok naprijed u dometu, sigurnosti i vijeku trajanja u usporedbi s konvencionalnim litijum-jonskim ćelijama.

Vodeći kineski proizvođači poput BYD-a, CATL-a i Geelyja identificirali su 2027. kao ključnu godinu za prelazak s laboratorijskih prototipova i testiranja malih serija na prve stvarne primjene u vozilima. Drugi proizvođači baterija, poput Farasis Energyja, CALB-a i Gotion High-Tech -a , pridružili su se ovom nastojanju, zajedno s kompanijama u nastajanju koje ovu tehnologiju vide kao priliku za osvajanje tržišta.

Zajednički cilj je razvoj ćelija sposobnih za veću gustoću energije bez povećanja veličine ili težine baterijskog paketa, uz smanjenje rizika od termičkog preopterećenja i poboljšanje hemijske stabilnosti materijala. U praksi bi se to prevelo u automobile s većim dometom po punjenju , potencijalno bržim punjenjem i većom izdržljivošću, kako u ciklusima, tako i godinama intenzivne upotrebe.

Važnost ovog poteza nadilazi kinesko tržište: Evropa je u velikoj mjeri ovisna o baterijama proizvedenim u Aziji, a svaki značajan napredak u tehnologiji čvrstog stanja uvjetovat će razvoj evropske automobilske industrije i njene planove za prelazak na električna vozila.

Geely i utrka za prvog koji će dostići baterije od 500 Wh/kg

Među najupečatljivijim projektima je Geelyjev , koji je predstavio novu generaciju solid-state baterija s najavljenom gustoćom energije do 500 Wh/kg . Ova brojka, u nekim slučajevima, udvostručuje domet mnogih trenutnih NMC baterija, koje se obično kreću između 250 i 300 Wh/kg.

Takva gustoća omogućava, s jedne strane, skladištenje više energije sa sličnom masom, a s druge strane, smanjenje težine paketa uz zadržavanje istog kapaciteta, čime se poboljšava ukupna efikasnost vozila. Kao opći primjer, paket od 80 kWh koji trenutno teži blizu ili više od 450 kg mogao bi biti znatno lakši, što bi direktno utjecalo na potrošnju goriva, posebno u urbanim sredinama gdje česta ubrzanja imaju veći utjecaj.

Geely je predstavio dio ove tehnologije na specijaliziranim sajmovima i naznačio da njihove baterije koriste sumporni elektrolit u čvrstom stanju , odnosno neorganski materijal koji zamjenjuje tradicionalni tekući elektrolit. Kompanija još nije pružila detalje o tačnom hemiji elektroda, kapacitetu baterijskih paketa u kWh koje planira sastavljati ili specifičnom ciklusu homologacije za oglašene serije.

Grupa planira započeti testiranje na cesti i probnu proizvodnju oko 2027. godine, koristeći vozila nekoliko marki koje kontrolira, uključujući Volvo, Polestar, Zeekr, Lynk & Co, Lotus i Smart. Broj jedinica i specifični modeli još nisu potvrđeni, ali pristup uključuje prvo lansiranje ograničenih serija, često u višim cjenovnim rangovima koji mogu apsorbirati početnu premiju troškova.

Pored dometa, Geely spominje vijek trajanja koji bi u nekim slučajevima mogao doseći milion kilometara , brojka koja bi, ako se postigne, smanjila zabrinutost zbog dugoročne degradacije. Projekat ima partnere kao što je Dow, koji su uključeni u razvoj ljepila i materijala sposobnih da održe svoja svojstva u širokom temperaturnom rasponu, od približno -40 do +120 °C, što je ključno za stabilnost baterijskih paketa u vrlo hladnim ili vrlo vrućim klimama.

Kina određuje 2027. kao ključnu godinu za čvrste elektrolite

Pored specifičnog slučaja kompanije Geely, kineska situacija pokazuje upečatljivu konvergenciju oko ciljnog datuma 2027. godine. BYD je registrovao patente vezane za baterije u čvrstom stanju i naveo je istu godinu za svoje prve demonstracije vozila. CATL, globalni lider u isporuci baterija, također je obavijestio svoje investitore da radi na 2027. godini kao ciljnom datumu za pilot proizvodnju.

U međuvremenu, proizvođači poput CALB-a, Gotion High-Tech-a i Farasis Energy-ja su ovaj period prepoznali kao idealno vrijeme za pokretanje svojih programa validacije na cestama. CALB, treći najveći igrač na kineskom tržištu po udjelu, planira započeti testiranje električnih vozila u malom obimu i postepeno povećati proizvodnju do prve polovine sljedeće decenije.

Gotion High-Tech, uz podršku Volkswagena , fokusira svoje napore na baterije u čvrstom stanju s ciljanom gustoćom od 350 Wh/kg , s ciljem uključivanja malih serija u testna vozila od 2027. godine i prelaska na komercijalnu proizvodnju između 2029. i 2030. godine. Farasis Energy, povezan s Mercedes-Benzom, radi sa sličnim vremenskim okvirom, s 2030. godinom kao ciljem za ulazak u masovnu proizvodnju.

Čak su i kompanije koje do nedavno nisu bile povezane s električnim vozilima, poput Dreame Technology - poznate po svojim kućanskim aparatima - predstavile vlastite mape puta za solid-state baterije. Prema njihovim podacima, njihove Galaxy Crystal ćelije mogle bi doseći kapacitet do 60 Ah i premašiti 450 Wh/kg , a komercijalna proizvodnja trebala bi početi oko 2027. godine.

Realnost je da pretvaranje eksperimentalne ćelije u bateriju pogodnu za masovnu proizvodnju , s kontroliranim troškovima i izdržljivošću koja zadovoljava zahtjeve automobilske industrije, ostaje značajan tehnički izazov. Rukovoditelji nekih proizvođača pozvali su na oprez u pogledu očekivanja, svjesni da se rokovi mogu produžiti i da neće svi projekti stići na tržište istovremeno.

Potencijalni utjecaj na Evropu i tržište električnih vozila

Koncentracija projekata baterija sa čvrstim tijelom u Kini ima direktne posljedice za Evropu. Velike evropske automobilske grupe - uključujući neke partnere azijskih proizvođača baterija - zavise od lanca snabdijevanja gdje se tehnološki napredak uglavnom razvija izvan kontinenta.

Ako se gustoća energije od 350 do 500 Wh/kg prevede u automobile s dometom većim od 1.000 km po punjenju i vijekom trajanja koji se približava milionu kilometara, pritisak na evropske proizvođače će se znatno povećati. Konkurencija neće biti zasnovana samo na cijeni, već i na sposobnosti da ponude vozila s rjeđim zahtjevima za punjenjem i baterijske pakete koji održavaju svoje performanse dugi niz godina.

U tom kontekstu, Evropska unija je pokrenula programe za podsticanje lokalne proizvodnje naprednih baterija i smanjenje zavisnosti od stranih izvora, ali tempo razvoja nije uvijek lako pratiti. Ulaganje u alternativne tehnologije - kao što su natrijum-ionske, poboljšane litijum-željezo-fosfatne ili baterije u čvrstom stanju razvijene u Evropi - biće ključno za održavanje industrijske konkurentnosti i osiguranje snabdijevanja.

Za potrošače, najvidljiviji uticaj će doći kada se prve serije vozila sa baterijama sljedeće generacije počnu pojavljivati ​​na cestama, vjerovatno u segmentima srednjeg do višeg ili višeg ranga. Ako rezultati u pogledu dometa, degradacije i sigurnosti ispune očekivanja, potražnja će se vjerovatno sve više pomjerati prema ovim modelima, ubrzavajući tranziciju i gurajući trenutne tehnologije ka sekundarnijoj upotrebi ili segmentima početnog nivoa.

Uzeti zajedno, napredak u vodenim cink-jodnim baterijama i čvrstim ćelijama visoke gustoće ukazuje na deceniju u kojoj će se skladištenje energije duboko promijeniti: od velikih instalacija koje stabilizuju mrežu i olakšavaju masovnu upotrebu obnovljivih izvora energije, do električnih automobila sposobnih za prelazak udaljenosti koje su danas nezamislive s jednim punjenjem, razvoj ovih novih tehnologija baterija obilježit će veliki dio evolucije energetskog i sektora mobilnosti kako u Evropi tako i u ostatku svijeta.

Vezani članak:

Čvrste baterije: Nauka rješava problem dendrita dok Kina ubrzava proizvodnju