Baterijos išgyvena gilią transformaciją: nors ličio jonų baterijos ir toliau dominuoja rinkoje, pradeda įsitvirtinti naujos baterijų technologijos , kuriomis siekiama didesnio saugumo, ilgesnio tarnavimo laiko ir geresnio pritaikymo labai specifiniams tikslams – nuo elektromobilių iki didelio atsinaujinančiosios energijos kaupimo. Vos po kelerių metų situacija gali būti visai kitokia nei šiandien.
Tarp sulaukiančių pasiūlymų yra vandeninės cinko-jodo baterijos , skirtos didelėms stacionarioms instaliacijoms, ir kietojo kūno baterijos su labai dideliu energijos tankiu , kurios turėtų gerokai padidinti elektromobilių nuvažiuojamą atstumą. Didžiąją dalį iniciatyvos teikia Azijos tyrimų centrai ir gamintojai, tačiau jos poveikis bus juntamas ir Europoje.
Naujos vandeninės cinko-jodo baterijos: saugesnės ir itin ilgaamžės
Flinderso universiteto (Australija) tyrėjų grupė pristatė vandeninį cinko-jodo akumuliatorių, kuris siūlo kitokį požiūrį nei įprasti ličio jonų elementai. Vietoj degių organinių elektrolitų šioje technologijoje naudojamas vandens pagrindu pagamintas elektrolitas , kuris žymiai sumažina perkaitimo ir gaisrų, kuriuos sukelia šiluminis išsiveržimas, riziką.
Cinko-jodo baterijos nėra nauja idėja; jos buvo tiriamos jau dešimtmečius . Tačiau jų diegimą stabdė specifinė problema: polijodido išstūmimas – cheminis reiškinys, dėl kurio jodas migruoja per elementų separatorių, todėl toliau naudojant baterija greitai susidėvi.
Australijos komanda įveikė šią kliūtį sukurdama molekulinį „narvelį“, galintį išlaikyti jodo junginius netrukdant būtinoms elektrocheminėms reakcijoms. Tam jie panaudojo iš ciklodekstrinų , ciklinių krakmolo molekulių, gautų polimerus, kurie jau daugelį metų naudojami tokiuose sektoriuose kaip maistas ir kosmetika, o dabar randa kitokį pritaikymą energijos kaupimo srityje.
Šie ciklodekstrinai turi hidrofilinį išorinį sluoksnį ir hidrofobinį vidinį sluoksnį. Šis derinys leidžia polijodidams būti įstrigusiems polimero struktūroje, neleidžiant jiems laisvai judėti baterijoje. Rezultatas – sistema, kuri sumažina šių jodo junginių judėjimą – vieną iš pagrindinių iki šiol tirtų cinko-jodo baterijų nusidėvėjimą lemiančių veiksnių.
Techniniai duomenys: ciklai, talpa ir įkrovimo laikas
Laboratoriniai bandymai rodo neįprastą šio tipo technologijos našumą. Vienoje iš išbandytų konfigūracijų baterija pasiekia apie 200–205 mAh/g specifinę talpą maždaug 8.000 pilnų įkrovimo ciklų, o įkrovimo laikas nuo ištuštėjimo iki pilno įkrovimo yra apie septynias minutes .
Kitame variante, sukurtame siekiant pailginti sistemos tarnavimo laiką, ji pasiekia 60 000 įkrovimo ir iškrovimo ciklų , išlaikydama apie 150 mAh/g talpą. Šiuo atveju visiško įkrovimo laikas dar labiau sutrumpėja iki maždaug trijų minučių , o tai yra gerokai mažiau nei daugelio dabartinių baterijų.
Remiantis technine dokumentacija, šie elementai veikia esant 1,3–1,4 V įtampai ir pasižymi itin mažu ciklo degradavimu, kuris pradinių bandymų metu buvo įvertintas nuo 0,0001 % iki 0,0003 %. Svarbu prisiminti, kad tai yra nedidelio masto laboratoriniai prototipai , todėl dar reikia pamatyti, kaip jie veiks, kai konstrukcija bus įdiegta didesnėse baterijose ir realiomis naudojimo sąlygomis.
Šios pažangos raktas slypi labai ilgo tarnavimo laiko ir labai trumpo įkrovimo laiko derinyje , o tai ypač naudinga tais atvejais, kai ciklai kartojasi visą dieną. Elektros tinklams, kuriuose yra daug atsinaujinančių energijos šaltinių, arba atsarginėms sistemoms, akumuliatorius, galintis atlaikyti dešimtis tūkstančių ciklų, gali būti svarbesnis nei maksimalus energijos tankis.
Saugumas, apribojimai ir programos: kodėl to nematysime jūsų mobiliajame telefone
Vandeninio elektrolito naudojimas suteikia aiškų saugos pranašumą. Skirtingai nuo degių organinių elektrolitų, naudojamų daugelyje ličio jonų akumuliatorių, vanduo smarkiai sumažina gaisro ir perkaitimo riziką, o tai kelia susirūpinimą tiek nešiojamuosiuose įrenginiuose, tiek didelio masto įrenginiuose.
Tačiau ši nauja cinko-jodo baterija turi reikšmingą trūkumą, kai kalbama apie jos naudojimą išmaniuosiuose telefonuose, planšetiniuose kompiuteriuose ar nešiojamuosiuose kompiuteriuose : jos tūrinis energijos tankis yra mažesnis nei dabartinių ličio jonų elementų. Norint sukaupti tą patį energijos kiekį, reikėtų didesnio tūrio, todėl baterijos būtų didesnės, o įrenginiai – storesni arba sunkesni.
Dėl šios priežasties patys tyrėjai atmeta galimybę, kad ši technologija artimiausiu metu pakeis ličio baterijas plataus vartojimo elektronikoje . Jų veiksmų planas aiškiai orientuotas į didelio masto stacionarų energijos kaupimą – sritį, kurioje dydis ir svoris yra mažiau svarbūs nei patvarumas, saugumas ir ciklo kaina.
Konkrečiai, minimi pritaikymai atsinaujinančiosios energijos įrenginiuose , tokiuose kaip saulės elektrinės ar vėjo jėgainės, energijos kaupimo įrenginiuose, prijungtuose prie elektros tinklo, ir sistemose, galinčiose sušvelninti didžiausią paklausą. Europoje, kur atsinaujinančiosios energijos integravimas yra prioritetas, tokio tipo sprendimai galėtų būti pritaikyti projektams, susijusiems su akumuliatorių atsarginėmis tinklo sistemomis , itin greito įkrovimo stotimis arba savivaldybių kaupimo įrenginiais.
Nors technologija dar tik pradinėje stadijoje, Australijoje atlikti darbai rodo, kad cinko ir jodo chemija dar turi tobulėti. Jei ji įsitvirtins, ji galėtų papildyti kitus naujus stacionaraus energijos kaupimo srities pasiūlymus, tokius kaip srauto baterijos ar natrio pagrindu veikiantys sprendimai, ir išplėsti galimybių spektrą ne tik ličio jonų baterijoms.
Lenktynės dėl kietojo kūno baterijų: tankio šuolis kyla iš Kinijos
Nors cinko-jodo baterijos pirmiausia skirtos elektros tinklams ir dideliems infrastruktūros projektams, kita svarbi naujųjų baterijų technologijų tendencija yra orientuota į elektrines transporto priemones. Kietojo kūno baterijos tapo pagrindine viltimi, siekiant šuolio į priekį, palyginti su įprastomis ličio jonų baterijomis, atsižvelgiant į nuvažiuojamą atstumą, saugumą ir ilgaamžiškumą.
Pirmaujantys Kinijos gamintojai, tokie kaip BYD, CATL ir „Geely“, 2027-uosius įvardijo kaip svarbiausius metus pereiti nuo laboratorinių prototipų ir mažų partijų bandymų prie pirmųjų realių pritaikymų transporto priemonėse. Prie šios iniciatyvos prisijungė ir kiti akumuliatorių gamintojai, tokie kaip „Farasis Energy“, CALB ir „Gotion High-Tech“ , taip pat kylančios įmonės, kurios šią technologiją mato kaip galimybę įsitvirtinti.
Bendras tikslas – sukurti elementus, galinčius pasiūlyti didesnį energijos tankį nedidinant akumuliatorių bloko dydžio ar svorio, tuo pačiu sumažinant šiluminio išsijungimo riziką ir pagerinant medžiagų cheminį stabilumą. Praktiškai tai reikštų, kad automobiliai galėtų nuvažiuoti didesnį atstumą vienu įkrovimu , galbūt greičiau įkrauti ir būtų patvaresni tiek ciklų, tiek intensyvaus naudojimo metų atžvilgiu.
Šio žingsnio svarba peržengia Kinijos rinkos ribas: Europa labai priklauso nuo Azijoje gaminamų baterijų, ir bet kokia reikšminga kietojo kūno technologijų pažanga lems Europos automobilių pramonės plėtrą ir jos planus pereiti prie elektrinių transporto priemonių.
„Geely“ ir lenktynės, kas pirmasis pasieks 500 Wh/kg akumuliatorių talpą
Vienas ryškiausių projektų yra „ Geely “ projektas , pristatęs naujos kartos kietojo kūno baterijas, kurių energijos tankis siekia iki 500 Wh/kg . Kai kuriais atvejais šis skaičius padvigubina daugelio dabartinių NMC baterijų, kurių energijos tankis paprastai svyruoja nuo 250 iki 300 Wh/kg, asortimentą.
Toks tankis, viena vertus, leidžia sukaupti daugiau energijos esant panašiai masei, kita vertus, sumažinti pakuotės svorį išlaikant tą pačią talpą, taip pagerinant bendrą transporto priemonės efektyvumą. Bendras pavyzdys – 80 kWh pakuotė, kuri šiuo metu sveria beveik 450 kg arba daugiau, galėtų būti žymiai lengvesnė, o tai turėtų tiesioginės įtakos degalų sąnaudoms, ypač miesto aplinkoje, kur dažnas greitėjimas turi didesnį poveikį.
„Geely“ pristatė kai kurias šios technologijos technologijas specializuotose prekybos parodose ir nurodė, kad jos baterijose naudojamas kietojo kūno sieros elektrolitas , t. y. neorganinė medžiaga, kuri pakeičia tradicinį skystąjį elektrolitą. Bendrovė kol kas nepateikė išsamios informacijos apie tikslią elektrodų cheminę sudėtį, planuojamų surinkti baterijų blokų kWh talpą ar konkretų reklamuojamų modelių homologacijos ciklą.
Grupė planuoja pradėti bandymus keliuose ir bandomąją gamybą apie 2027 m., naudodama kelių jos kontroliuojamų prekių ženklų, įskaitant „Volvo“, „Polestar“, „Zeekr“, „Lynk & Co“, „Lotus“ ir „Smart“, automobilius. Vienetų skaičius ir konkretūs modeliai dar nepatvirtinti, tačiau pirmiausia siūloma pradėti ribotas serijas, dažnai brangesnių modelių, galinčių padengti pradinę kainą.
Be nuvažiuojamo atstumo, „Geely“ mini ir tarnavimo laiką, kuris kai kuriais atvejais gali siekti milijoną kilometrų – pasiekus šį skaičių, sumažėtų susirūpinimas dėl ilgalaikio nusidėvėjimo. Projekte dalyvauja tokie partneriai kaip „Dow“, kuri dalyvauja kuriant klijus ir medžiagas, galinčias išlaikyti savo savybes plačiame temperatūrų diapazone, nuo maždaug -40 iki +120 °C, o tai yra labai svarbu akumuliatorių blokų stabilumui labai šaltame arba labai karštame klimate.
Kinija 2027-uosius laiko svarbiausiais kietojo elektrolito gamybos metais
Be konkretaus „Geely“ atvejo, Kinijos situacija rodo ryškią konvergenciją dėl 2027 m. tikslinės datos. BYD užregistravo patentus, susijusius su kietojo kūno baterijomis, ir nurodė, kad tais pačiais metais bus surengtos pirmosios jos transporto priemonių demonstracijos. CATL, pasaulinė baterijų tiekimo lyderė, taip pat informavo savo investuotojus, kad bandomoji gamyba prasidės 2027 m.
Tuo tarpu tokie gamintojai kaip „CALB“, „Gotion High-Tech“ ir „Farasis Energy“ šį laikotarpį įvardijo kaip idealų laiką pradėti savo kelių patvirtinimo programas. „CALB“, trečia pagal dydį Kinijos rinkos dalyvė pagal dalį, planuoja pradėti nedidelio masto elektromobilių bandymus ir palaipsniui didinti gamybą iki kito dešimtmečio pirmosios pusės.
„Gotion High-Tech“, remiama „Volkswagen“ , daugiausia dėmesio skiria kietojo kūno akumuliatoriams, kurių tikslinis tankis yra apie 350 Wh/kg , siekdama nuo 2027 m. įtraukti mažas serijas į bandomuosius automobilius ir pereiti prie komercinės gamybos nuo 2029 iki 2030 m. Su „Mercedes-Benz“ bendradarbiaujanti „Farasis Energy“ dirba pagal panašų grafiką – 2030 m. numatyta pradėti didelio masto gamybą.
Netgi įmonės, kurios iki šiol nebuvo susijusios su elektrinėmis transporto priemonėmis, pavyzdžiui, „Dreame Technology“ , žinoma dėl savo buitinės technikos, pristatė savo kietojo kūno baterijų kūrimo planus. Remiantis jų duomenimis, „Galaxy Crystal“ elementai gali pasiekti iki 60 Ah talpą ir viršyti 450 Wh/kg , o komercinė gamyba taip pat planuojama pradėti apie 2027 m.
Realybė tokia, kad eksperimentinio elemento pavertimas baterija, tinkama masinei gamybai , kontroliuojamomis sąnaudomis ir patvariu, atitinkančiu automobilių pramonės poreikius, tebėra didelis techninis iššūkis. Kai kurių gamintojų vadovai ragina būti atsargiems dėl lūkesčių, žinodami, kad terminai gali būti pratęsti ir kad ne visi projektai pasieks rinką vienu metu.
Galimas poveikis Europai ir elektromobilių rinkai
Kietojo kūno akumuliatorių projektų koncentracija Kinijoje turi tiesioginių pasekmių Europai. Didelės Europos automobilių pramonės grupės, įskaitant kai kuriuos Azijos akumuliatorių gamintojų partnerius, priklauso nuo tiekimo grandinės, kurioje technologinė pažanga daugiausia kuriama už žemyno ribų.
Jei 350–500 Wh/kg energijos tankis reikštų, kad automobiliai, kurių vienu įkrovimu galima nuvažiuoti daugiau nei 1.000 km , o eksploatavimo trukmė – beveik milijoną kilometrų, spaudimas Europos gamintojams gerokai padidėtų. Konkurencija bus grindžiama ne tik kaina, bet ir galimybe pasiūlyti transporto priemones, kurias reikia rečiau įkrauti, bei akumuliatorių blokus, kurie daugelį metų išlaiko savo našumą.
Atsižvelgdama į tai, Europos Sąjunga pradėjo programas, skirtas skatinti vietinę pažangių baterijų gamybą ir mažinti priklausomybę nuo užsienio šaltinių, tačiau ne visada lengva neatsilikti nuo plėtros tempo. Investicijos į alternatyvias technologijas, tokias kaip natrio jonų, patobulinto ličio geležies fosfato arba Europoje sukurtos kietojo kūno baterijos, bus labai svarbios siekiant išlaikyti pramonės konkurencingumą ir užtikrinti tiekimą.
Vartotojams labiausiai pastebimas poveikis bus tada, kai keliuose pradės pasirodyti pirmosios serijos automobiliai su naujos kartos akumuliatoriais , tikriausiai vidutinės ir aukštos klasės arba prabangiuose segmentuose. Jei rezultatai, susiję su nuvažiuojamu atstumu, degradacija ir saugumu, pateisins lūkesčius, paklausa greičiausiai vis labiau pereis prie šių modelių, paspartindama perėjimą ir nukreipdama dabartines technologijas į antrinį naudojimą arba pradinio lygio segmentus.
Apibendrinant, vandeninių cinko-jodo baterijų ir didelio tankio kietojo kūno elementų pažanga rodo dešimtmetį, per kurį energijos kaupimas iš esmės pasikeis: nuo didelių įrenginių, kurie stabilizuoja tinklą ir palengvina masinį atsinaujinančiųjų energijos šaltinių naudojimą, iki elektromobilių, galinčių vienu įkrovimu įveikti šiandien neįsivaizduojamus atstumus, šių naujų baterijų technologijų kūrimas žymės didelę energetikos ir mobilumo sektoriaus evoliucijos dalį tiek Europoje, tiek likusioje pasaulio dalyje.
