Baterije doživljajo globoko preobrazbo: medtem ko litij-ionske baterije še vedno prevladujejo na trgu, se začenjajo uveljavljati nove tehnologije baterij , katerih cilj je večja varnost, daljša življenjska doba in boljša prilagoditev zelo specifičnim uporabam, od električnih vozil do množičnega shranjevanja obnovljive energije. Čez nekaj let bi se lahko stanje precej spremenilo od današnjega.
Med predlogi, ki pridobivajo na veljavi, so vodne cinkovo-jodove baterije , zasnovane za velike stacionarne naprave, in trdne baterije z zelo visoko energijsko gostoto , ki naj bi znatno izboljšale doseg električnih vozil. Velik del spodbude prihaja iz azijskih raziskovalnih centrov in proizvajalcev, vendar bo njen vpliv čutiti tudi v Evropi.
Nove vodne cinkovo-jodove baterije: varnejše in z izjemno dolgo življenjsko dobo
Skupina raziskovalcev z Univerze Flinders (Avstralija) je predstavila vodno cinkovo-jodovo baterijo, ki ponuja drugačen pristop k običajnim litij-ionskim celicam. Namesto vnetljivih organskih elektrolitov ta tehnologija uporablja elektrolit na vodni osnovi , kar znatno zmanjša tveganje pregrevanja in požarov zaradi termičnega pobega.
Cinkovo-jodove baterije niso nova ideja; preučujejo se že desetletja . Vendar je njihovo sprejetje ovirala specifična težava: izpodrivanje polijodida, kemični pojav, zaradi katerega jod migrira skozi separator celic, kar vodi do hitre degradacije baterij z nadaljnjo uporabo.
Avstralska ekipa je to oviro premagala z zasnovo molekularne "kletke" , ki lahko zadrži jodove spojine, ne da bi pri tem ovirala potrebne elektrokemijske reakcije. Da bi to dosegli, so uporabili polimere, pridobljene iz ciklodekstrinov , cikličnih molekul iz škroba, ki se že leta uporabljajo v sektorjih, kot sta hrana in kozmetika, zdaj pa najdejo drugačno uporabo na področju shranjevanja energije.
Ti ciklodekstrini imajo hidrofilno zunanjost in hidrofobno notranjo votlino. Ta kombinacija omogoča, da se polijodidi ujamejo v polimerno strukturo, kar preprečuje njihovo prosto gibanje po bateriji. Rezultat je sistem, ki blaži gibanje teh jodnih delcev, enega glavnih dejavnikov, ki povzročajo obrabo v doslej preučevanih cinkovo-jodovih baterijah.
Tehnični podatki: cikli, kapaciteta in časi polnjenja
Laboratorijski testi kažejo nenavadno delovanje za tovrstno tehnologijo. V eni od testiranih konfiguracij baterija doseže specifično kapaciteto okoli 200–205 mAh/g za približno 8.000 polnih ciklov, s časom polnjenja približno sedem minut od praznega do polnega polnjenja.
V drugi različici, zasnovani za podaljšanje življenjske dobe, sistem doseže 60.000 ciklov polnjenja in praznjenja , pri čemer ohranja kapaciteto približno 150 mAh/g. V tem primeru se čas polnega polnjenja še dodatno skrajša na približno tri minute , kar je precej manj, kot to omogočajo številne trenutne baterije.
Glede na tehnično dokumentacijo te celice delujejo pri napetosti med 1,3 in 1,4 V ter kažejo izjemno nizko degradacijo na cikel, ki je bila med začetnim testiranjem ocenjena na med 0,0001 % in 0,0003 %. Pomembno je vedeti, da gre za majhne laboratorijske prototipe , zato še ni jasno, kako se bodo obnesli, ko bo zasnova implementirana v večjih baterijah in v resničnih okoljih uporabe.
Ključ do tega napredka je v kombinaciji zelo dolge življenjske dobe in zelo kratkega časa polnjenja , kar je še posebej uporabno v aplikacijah, kjer se cikli neprekinjeno ponavljajo čez dan. Za električna omrežja z veliko prisotnostjo obnovljivih virov energije ali za rezervne sisteme je lahko baterija, ki lahko prenese več deset tisoč ciklov, pomembnejša od maksimiranja gostote energije.
Varnost, omejitve in aplikacije: zakaj tega ne bomo videli na vašem mobilnem telefonu
Uporaba vodnega elektrolita ponuja jasno varnostno prednost. Za razliko od vnetljivih organskih elektrolitov, ki se uporabljajo v številnih litij-ionskih baterijah, voda drastično zmanjša tveganje požara in toplotnega uhajanja, kar je zaskrbljujoče tako za prenosne naprave kot za velike inštalacije.
Vendar pa ima ta nova cinkovo-jodova baterija pomembno pomanjkljivost, ko razmišljamo o njeni uporabi v pametnih telefonih, tablicah ali prenosnikih : njena volumetrična energijska gostota je nižja od gostote trenutnih litij-ionskih celic. Za shranjevanje enake količine energije bi bila potrebna večja prostornina, kar bi imelo za posledico večje baterije in s tem debelejše ali težje naprave.
Zaradi tega raziskovalci sami izključujejo možnost, da bi ta tehnologija v kratkoročnem obdobju nadomestila litijeve baterije v potrošniški elektroniki . Njihov načrt je očitno usmerjen v obsežno stacionarno shranjevanje energije , področje, kjer sta velikost in teža manj pomembni kot vzdržljivost, varnost in stroški na cikel.
Natančneje, aplikacije so omenjene v obratih za obnovljive vire energije – kot so sončne elektrarne ali vetrne elektrarne –, v skladiščih energije, priključenih na električno omrežje, in v sistemih, ki lahko izravnajo največje povpraševanje. V Evropi, kjer je vključevanje obnovljivih virov energije prednostna naloga, bi se te vrste rešitev lahko vključile v projekte, ki vključujejo rezervno napajanje omrežja z baterijami , ultrahitre polnilne postaje ali občinske skladiščne objekte.
Čeprav je tehnologija še v zgodnji fazi razvoja, delo, opravljeno v Avstraliji, kaže, da se kemija cinka in joda še lahko izboljša. Če se uveljavi, bi lahko dopolnila druge nove predloge na področju stacionarnega shranjevanja energije, kot so pretočne baterije ali rešitve na osnovi natrija, s čimer bi razširila paleto možnosti onkraj litij-ionskih baterij.
Tekma za polprevodniške baterije: skok v gostoti prihaja iz Kitajske
Medtem ko so cinkovo-jodove baterije namenjene predvsem električnemu omrežju in velikim infrastrukturnim projektom, je drugi pomemben trend v novi tehnologiji baterij osredotočen na električna vozila. Trdne baterije so postale vodilno upanje za skok naprej v dosegu, varnosti in življenjski dobi v primerjavi s konvencionalnimi litij-ionskimi celicami.
Vodilni kitajski proizvajalci, kot so BYD, CATL in Geely, so leto 2027 opredelili kot ključno leto za prehod od laboratorijskih prototipov in testiranja majhnih serij k prvim resničnim aplikacijam v vozilih. Temu prizadevanju so se pridružili tudi drugi proizvajalci baterij, kot so Farasis Energy, CALB in Gotion High-Tech , skupaj z vzhajajočimi podjetji, ki v tej tehnologiji vidijo priložnost za uveljavitev.
Skupni cilj je razviti celice, ki lahko ponudijo večjo energijsko gostoto brez povečanja velikosti ali teže baterijskega sklopa, hkrati pa zmanjšajo tveganje toplotnega pobega in izboljšajo kemijsko stabilnost materialov. V praksi bi se to odrazilo v avtomobilih z večjim dosegom na polnjenje , potencialno hitrejšim polnjenjem in večjo vzdržljivostjo, tako v ciklih kot tudi v letih intenzivne uporabe.
Pomen te poteze sega dlje od kitajskega trga: Evropa je močno odvisna od baterij, proizvedenih v Aziji, in vsak pomemben napredek v tehnologiji trdnih snovi bo pogojeval razvoj evropske avtomobilske industrije in njene načrte za prehod na električna vozila.
Geely in tekma za prvega, ki bo dosegel baterije s 500 Wh/kg
Med najbolj presenetljivimi projekti je Geelyjev , ki je predstavil novo generacijo polprevodniških baterij z napovedano energijsko gostoto do 500 Wh/kg . Ta številka v nekaterih primerih podvoji doseg mnogih trenutnih baterij NMC, ki se običajno gibljejo med 250 in 300 Wh/kg.
Takšna gostota omogoča po eni strani shranjevanje več energije pri podobni masi, po drugi strani pa zmanjšanje teže paketa ob ohranjanju enake zmogljivosti, s čimer se izboljša splošna učinkovitost vozila. Kot splošen primer, paket z zmogljivostjo 80 kWh, ki trenutno tehta blizu ali več kot 450 kg, bi lahko bil bistveno lažji, kar bi neposredno vplivalo na porabo goriva, zlasti v mestnem okolju, kjer imajo pogosta pospeševanja večji vpliv.
Geely je del te tehnologije predstavil na specializiranih sejmih in navedel, da njihovi akumulatorji uporabljajo trdni žveplov elektrolit , torej anorganski material, ki nadomešča tradicionalni tekoči elektrolit. Podjetje še ni posredovalo podrobnosti o natančni kemiji elektrod, kWh kapaciteti akumulatorskih sklopov, ki jih namerava sestaviti, ali specifičnem homologacijskem ciklu za oglaševane modele.
Skupina načrtuje začetek cestnih testiranj in pilotne proizvodnje okoli leta 2027, pri čemer bo uporabljala vozila več znamk, ki jih nadzoruje, vključno z Volvom, Polestarjem, Zeekrom, Lynk & Co, Lotusom in Smartom. Število enot in specifični modeli še niso potrjeni, vendar pristop vključuje najprej lansiranje omejenih serij, pogosto v višjih cenovnih razredih, ki lahko absorbirajo začetno stroškovno premijo.
Poleg dosega Geely omenja življenjsko dobo, ki bi v nekaterih primerih lahko dosegla milijon kilometrov , kar bi, če bi bilo doseženo, zmanjšalo zaskrbljenost glede dolgoročne degradacije. Projekt ima partnerje, kot je Dow, ki sodelujejo pri razvoju lepil in materialov, ki lahko ohranijo svoje lastnosti v širokem temperaturnem območju, od približno -40 do +120 °C, kar je ključnega pomena za stabilnost baterijskih sklopov v zelo hladnih ali zelo vročih podnebjih.
Kitajska je leto 2027 določila za ključno leto za trdne elektrolite
Poleg specifičnega primera Geelyja kaže kitajska krajina presenetljivo konvergenco glede ciljnega datuma 2027. BYD je registriral patente, povezane s trdnimi baterijami, in navedel, da bo to leto namenjeno predstavitvi prvih vozil. CATL, vodilni svetovni dobavitelj baterij, je svoje vlagatelje obvestil tudi, da si prizadeva za leto 2027 kot ciljni datum za pilotno proizvodnjo.
Medtem so proizvajalci, kot so CALB, Gotion High-Tech in Farasis Energy, to obdobje opredelili kot idealen čas za začetek svojih programov cestne validacije. CALB, tretji največji akter na kitajskem trgu po deležu, načrtuje začetek testiranja električnih vozil v majhnem obsegu in postopno povečanje proizvodnje do prve polovice naslednjega desetletja.
Gotion High-Tech, ki ga podpira Volkswagen , se osredotoča na trdne baterije s ciljno gostoto okoli 350 Wh/kg , z namenom, da bi od leta 2027 v testna vozila vključili majhne serije, med letoma 2029 in 2030 pa bi se preusmerili na komercialno proizvodnjo. Farasis Energy, ki je povezan z Mercedes-Benzom, dela s podobnim časovnim načrtom, pri čemer je leto 2030 cilj za vstop v obsežno proizvodnjo.
Celo podjetja, ki do nedavnega niso bila povezana z električnimi vozili, kot je Dreame Technology – znana po svojih gospodinjskih aparatih – so predstavila lastne načrte za polprevodniške baterije. Po njihovih podatkih bi lahko njihove celice Galaxy Crystal dosegle kapaciteto do 60 Ah in presegle 450 Wh/kg , komercialna proizvodnja pa naj bi se začela okoli leta 2027.
Resničnost je, da pretvorba eksperimentalne celice v baterijo, primerno za množično proizvodnjo , z nadzorovanimi stroški in vzdržljivostjo, ki ustreza avtomobilskim zahtevam, ostaja velik tehnični izziv. Vodstvo nekaterih proizvajalcev je pozvalo k previdnosti glede pričakovanj, saj se zaveda, da se lahko roki podaljšajo in da vsi projekti ne bodo hkrati na trgu.
Potencialni vpliv na Evropo in trg električnih vozil
Koncentracija projektov trdnih baterij na Kitajskem ima neposredne posledice za Evropo. Velike evropske avtomobilske skupine – vključno z nekaterimi partnerji azijskih proizvajalcev baterij – so odvisne od dobavne verige, kjer se tehnološki napredek večinoma razvija zunaj celine.
Če se gostota energije od 350 do 500 Wh/kg prenese v avtomobile z dosegom, ki presega 1.000 km na polnjenje, in življenjsko dobo, ki se približuje milijonu kilometrov, se bo pritisk na evropske proizvajalce znatno povečal. Konkurenca ne bo temeljila le na ceni, temveč tudi na sposobnosti ponujanja vozil z manj pogostimi potrebami po polnjenju in baterijskih sklopov, ki ohranjajo svojo zmogljivost več let.
V tem kontekstu je Evropska unija začela programe za spodbujanje lokalne proizvodnje naprednih baterij in zmanjšanje odvisnosti od tujih virov, vendar tempa razvoja ni vedno enostavno slediti. Vlaganje v alternativne tehnologije – kot so natrijeve ionske baterije, izboljšane litijeve železove fosfatne baterije ali trdne baterije, razvite v Evropi – bo ključnega pomena za ohranjanje industrijske konkurenčnosti in zagotavljanje oskrbe.
Za potrošnike bo najbolj viden vpliv, ko se bodo na cestah začele pojavljati prve serije vozil z baterijami naslednje generacije , predvidoma v srednjem do višjem ali višjem cenovnem razredu. Če bodo rezultati glede dosega, degradacije in varnosti izpolnili pričakovanja, se bo povpraševanje verjetno vse bolj preusmerilo k tem modelom, kar bo pospešilo prehod in trenutne tehnologije potisnilo v bolj sekundarno uporabo ali vstopne segmente.
Napredek vodnih cinkovo-jodovih baterij in trdnih celic z visoko gostoto skupaj kaže na desetletje, v katerem se bo shranjevanje energije korenito spremenilo: od velikih naprav, ki stabilizirajo omrežje in omogočajo množično uporabo obnovljivih virov energije, do električnih avtomobilov, ki lahko z enim polnjenjem prevozijo danes nepredstavljive razdalje, bo razvoj teh novih tehnologij baterij zaznamoval velik del razvoja energetskega in mobilnega sektorja tako v Evropi kot po svetu.
