Przyszłość baterii w autach elektrycznych
Obecnie koszt akumulatora wysokonapięciowego (battery pack) w samochodzie elektrycznym (EV) to około 7–12 tys. dol. Nic więc dziwnego, że optymalizacja baterii stała się przedmiotem zainteresowania producentów samochodowych. Z jednej strony można ulepszać wydajność ogniw, z drugiej – usprawniać integrację ogniw w packu, z trzeciej zaś usprawniać system kontroli baterii (BMS).
W zakresie integracji producenci powoli odchodzą od standardowego modułowego designu w stronę bezmodułowych packów lub – tak jak Tesla, BYD i Leapmotor – proponują bezpośrednie wbudowanie ogniw w platformę samochodu, gdzie pack staje się strukturalną częścią samochodu. Takie podejście stwarza pewne problemy, ale umożliwia bardziej efektywne użycie ograniczonej przestrzeni.
Ogromne nakłady finansowe są przeznaczane na rozwój bardziej optymalnych ogniw. Oczekiwania są takie, aby zapewniały wysoką wartość energetyczną, co zwiększy zasięg samochodu, i najlepiej, by umożliwiały również szybkie ładowanie. To konfliktujące wymagania z perspektywy projektowania baterii.
Prognozy Faraday Institute i Fraunhofer z bieżącego roku są zgodne, że ogniwa Li-ion będą dominującą technologią w pojazdach elektrycznych do lat 2038–2040. Niemniej jednak od 2030 r. oczekuje się stopniowego wzrostu udziału nowej generacji ogniw.
Jedną z technologii, o której jest głośno, są baterie solid-state, czyli ze stałym (lub półstałym) elektrolitem. W teorii baterie solid-state to przełom, na który czekamy. Oferują one dużo wyższą niż obecne ogniwa gęstość energetyczną, bo aż 500 Wh/kg (watogodzin na kilogram) i mają potencjał szybkiego ładowania. Niestety, na ten moment nie ma producenta, który byłby gotowy do komercjalizacji swojego rozwiązania, a na samym początku nie byłaby też możliwa produkcja na dużą skalę. To sprawia, że kiedy baterie solid-state w końcu pojawią się na rynku (prawdopodobnie między 2027 a 2030 r.), będą droższe niż obecne ogniwa Li-ion. To oznacza, że ich stosowanie w pojazdach elektrycznych będzie postępować stopniowo, w miarę dojrzewania i obniżania kosztów technologii. Dodatkowo, z perspektywy łańcucha dostaw, bateria solid-state nadal opiera się na podobnych materiałach katod, czyli LFP, NMC, NCA, LMNO, a to potencjalny problem dla Europy, bo uzależnia dostępność ogniw od możliwości importu.
Z tej perspektywy ciekawym rozwiązaniem jest bateria sodowa (Na-ion), która stanowi potencjalną alternatywę dla LFP, o niskim koszcie, ze względu na powszechną dostępność sodu i całkowity brak litu, kobaltu, niklu. Kolejnym atutem jest to, że ogniwa Na-ion są mało wrażliwe na niskie temperatury, zachowują 90 proc. swojej wydajności nawet przy -20oC oraz są w stanie zaoferować możliwość szybkiego ładowania. Na ten moment CATL, Faradion i Northvolt mają w swoim portfolio jedne z najbardziej praktycznych patentów, oferując gęstość energetyczną na poziomie 160 Wh/kg. To za mało jak na zastosowanie w EV, ale według firmy CATL (Contemporary Amperex Technology) następna generacja baterii sodowych powinna umożliwić gęstość energetyczną na poziomie 200 Wh/kg.
Równocześnie trwają prace nad baterią litowo-siarkową i anodą krzemową. Jednak perspektywa ich komercyjnego opracowania jest bardziej odległa i wymaga dalszych badań. W dalszym ciągu trwają też prace nad optymalizacją NMC i LFP. W przypadku NMC prowadzone są badania mające na celu zwiększenie zawartości niklu (~90%) w katodzie oraz zwiększenie zawartości krzemu w anodzie, a w przypadku LFP poprzez dodanie manganu (LMFP).
Co prawda Polska jest obecnie jednym z liderów produkcji i eksportu części i podzespołów przemysłu samochodowego, jednak nie wiąże się to ze znaczącą, własną działalnością badawczo-rozwojową (R&D) na rzecz motoryzacji. Bez tego nie ma mowy o zbudowaniu krajowych kompetencji w tym obszarze, co uzależnia nas od rozwiązań finansowanych przez podmioty zagraniczne z wszystkimi tego konsekwencjami.
Spośród organizacji działających z powodzeniem na styku przemysłu i nauki można wymienić Sieć Badawczą Łukasiewicz. Jakkolwiek jest to świetna inicjatywa i dobry zespół badawczy, to jednak zdecydowanie za mało, aby zapewnić Polsce odpowiedni poziom R&D na arenie międzynarodowej. Tu jest niezbędne zaangażowanie na poziomie rządowym wzorem innych krajów. Przykładem mogą być centra badawcze Energy Innovation Centre (Wielka Brytania), IFPN & CRNS (Francja), Electric Mobility Europe (Niemcy), Electromobility research centre (Belgia). Są to oczywiście przedsięwzięcia wymagające olbrzymich nakładów finansowych, skorelowane ze strategią i z polityką energetyczną tych krajów, strategią badań i rozwoju, a także planowaniem niezbędnych reform w szkolnictwie – zwłaszcza w uczelniach technicznych. Ale tylko w ten sposób można wykształcić specjalistyczną kadrę, która nadąży za dynamiką zmian w technologii.
Kolejny problem to utrzymanie takiej kadry. Specjaliści wysokiej klasy muszą widzieć perspektywy rozwoju i rezultaty komercjalizacji wyników działalności. W ten sposób buduje się własność intelektualną, a także zwiększa niezależność strategiczną i technologiczną kraju. Nie ulega wątpliwości, że współpraca przemysłu z uczelniami jest kluczem do sukcesu, ale wymaga to wieloletniej strategii finansowania działalności R&D na poziomie rządowym, zwłaszcza na etapie początkowych inwestycji.
Aby Polska mogła zająć miejsce wśród krajów rozwijających działalność R&D w branży motoryzacyjnej, konieczne jest, aby rząd podjął aktywny udział w opracowaniu wieloletniej strategii elektromobilności, ale także strategii energetycznej, oraz jej finansowania. Mowa tutaj o pomocy finansowej dla działań R&D zarówno komercyjnych, jak i niekomercyjnych oraz stałej stymulacji wzrostu kwalifikacji pracowników.
Autorka ma stopień doktora nauk technicznych Uniwersytetu Oxfordzkiego
Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone.
Dalsze rozpowszechnianie artykułu za zgodą wydawcy INFOR PL S.A. Kup licencję.