Mercedes-Benz najavljuje novu tehnologija električnih baterija s čvrstim elektrolitom (solid-state) koja bi trebala bitno smanjiti gabarite i masu baterija, a povećati doseg i skratiti vrijeme punjenja…
Dolazi vrijeme električnih automobila i sljedeća bi generacija trebala konačno riješiti problem ograničenog dosega i kratkog vremena punjenja. Nova tehnologija solid-state baterija, odnosno baterija s čvrstim elektrolitom obećava jasne prednosti u odnosu na litij-ionske baterije. Odvoziti 1000 kilometara u električnom automobilu i zatim ga napuniti za 15 minuta? Solid-state baterija za automobile obećava puno, ali je još uvijek u povojima.
Je li solid-state baterija u automobilu takvo čudo kojem se nadaju mnogi vozači? Električni automobili koji energiju crpe iz litij-ionskih baterija su teški – a ako žele ponuditi dosege upotrebljive u suvremenom prometu. još uvijek su preskupe. Krivac je niska gustoća energije baterijskih ćelija, koja je oko 500 watt sati po kilogramu u današnjim serijskim automobilima. Za usporedbu: jedan kilogram premium benzina ima ogrjevnu vrijednost od oko 9000 watt sati po kilogramu. Sve se više govori o solid-state bateriji, koju menadžeri automobila vole nazivati “promjenom igre”.
No dolazi li baterija koja mijenja cijelu igru doista uskoro? Uglavnom, vrijedi sljedeće: kod litij-ionska baterija u kojoj se ioni (tj. atomi kojima nedostaje barem jedan elektron) kreću od katode do anode. Tamo strpljivo čekaju trenutak kad se papučica gasa – pardon, papučice akceleratora – aktivira. Prije svega, jedina razlika je u tome što se za prijenos iona ne koristi tekućina, već čvrsti, električno vodljivi materijal. Ionako ne postoji takva stvar kao što je solid-state baterija“, objašnjava Jürgen Janek. Profesor je na Sveučilištu Justus Liebig u Gießenu i koordinira najveći njemački istraživački program za novu generaciju punjivih baterija. U principu, objašnjava znanstvenik, postoje dvije klase materijala koje se mogu koristiti za sloj ionskog vodljivosti između katode i elektrode – također poznat kao elektrolit: keramika ili plastika.
Solid-state sustavi koji se nazivaju litij-polimerske baterije već su u serijskoj proizvodnji. Mercedes-Benz ih, na primjer, koristi u autobusu za redovite usluge eCitaro. Da bi bio vodljiv za ione, materijal se prvo mora prethodno zagrijati na 70 do 80 stupnjeva – nije problem za autobus koji ujutro kreće u depo, ali neprikladan za automobil. Osim toga, sadašnje plastične baterije mogu se kombinirati samo sa željezno-fosfatnom katodom, što omogućuje nižu gustoću skladištenja od smjesa nikal-mangan-kobalt koje su sada standardne. Ostaje keramika, koja je zapravo izvrsna kao izolatori i nije baš prikladna za provođenje struje.
Keramika na bazi sumpora, koja ne samo da ima dobru vodljivost, već je i relativno meka, poznata je tek oko dvanaest godina. Ta tehnologija omogućuje ionskom vodiču da bolje prianja uz elektrode. Ali što se dobiva prelaskom iz tekućine u meku krutinu? Ako se gleda samo gustoća materijala, isprva se ništa ne štedi – naprotiv, otvoreno kaže Janek. Volumen samog elektrolita, koji trenutno čini oko 30 posto debljine stanice, mogao bi se donekle smanjiti. Osim toga, solid-state baterija više ne zahtijeva tanak sloj separatora za sprječavanje električnih kratkih spojeva između anode i elektrode.
Prava prednost koju nudi solid-state baterija postaje očita samo ako promijenite osnove anode, kaže Janek. Upravo to namjerava učiniti Jörg Hoffmann. Stručnjak regrutiran iz BMW-a vodi program solidnih ćelija Volkswagen grupe. Sada je uložio oko 400 milijuna dolara u tvrtku QuantumScape, koja je osnovana tek 2010. Sustav s kojim savez Kalifornije i Donje Saske želi napraviti proboj temelji se na metalnoj litij anodi – izraz koji može dovesti u zabludu.
Zapravo, anoda uopće ne postoji u nenabijenom stanju, ona se samo nakuplja tijekom punjenja od iona koji su migrirali. To štedi prostor, ali pred programere postavlja nove izazove. – Trik je, objašnjava Hoffmann, u tome što se sloj nanosi vrlo ravnomjerno po cijeloj površini. Jer samo tamo gdje je gornji sloj u izravnom kontaktu na sučelju mogu dalje migrirati ioni. Uwe Keller, voditelj razvoja baterija u tvrtki Mercedes-Benz, također vidi litij metalnu anodu kao metodu izbora. To bi nam omogućilo da izgradimo stanice mnogo manje”, kaže stručnjak. On zna: “Ne radi se samo o dobrom materijalu za čvrsti materijal, već io povezanim proizvodnim procesima. Tek tada možemo iskoristiti i teoretski fizički potencijal.” Staviti sve na jednu kartu za njega ne dolazi u obzir.
Zbog toga proizvođač iz Stuttgart ima dva partnera u utrci: Mercedes-Benz je u studenom 2021. zaključio tehnološku suradnju s Factorial Energy. Američka tvrtka oslanja se na čvrste elektrolite na bazi sumpora. Samo dva mjeseca kasnije najavljeno je da će surađivati s tajvanskom tvrtkom ProLogium. Osnovana je 2006. godine i stoga je gotovo jedna od dugo etabliranih u dinamičnoj industriji. ProLogium se oslanja na keramiku koja se temelji na spojevima kisika i znatno je čvršća. Međutim, njihova je obrada teža. Zato prva generacija sadrži i tekući elektrolit i keramički separator.
Drugi dobavljači također koriste hibridna rješenja, u kojima manji dio tekućeg elektrolita ostaje na brodu kako bi se osigurao kontakt na sučeljima anode i katode. Veći se dio zamjenjuje se obloženim separatornim filmom. Međutim, ovi mješoviti oblici neće raditi s litij-metalnim anodama, predviđa Keller.
