Akumulatory solid state mogą być wybawieniem motoryzacji

Elektryczna motoryzacja jeszcze się na dobre nie rozkręciła, a już Międzynarodowa Agencja Energetyczna sygnalizuje, że na rynku nie ma obecnie wystarczającej ilości litu, aby zaopatrywać przemysł motoryzacyjny. Dodatkowo popyt na ten metal do użytku w pojazdach elektrycznych do 2040 roku może wzrosnąć aż 30-krotnie. Dodatkowo wraz z popytem zwiększają się ceny – tylko w 2021 roku lit podrożał o ponad 400%, przez co ceny ogniw przestały maleć.

Największe złoża tego metalu znajdują się tzw. trójkącie litowym, tj. w obszarze, gdzie Chile spotyka się z Boliwią i Argentyną oraz w Chinach. Mimo że Chiny mają jedne z największych złóż na świecie i są obecnie największym jego producentem litu, ich zapotrzebowanie na ten metal jest znacznie większe niż ich zdolności wydobywcze. Czyli problem jest ogólnoświatowy, zmuszający producentów samochodów do zabezpieczania źródeł i dostaw m.in. przez kupowanie kopalni, a także przez inwestycje w recykling zużytych ogniw.

Każdego roku miliony akumulatorów litowo-jonowych są wyrzucane z komputerów, smartfonów, używanych samochodów i innych urządzeń zasilanych bateryjnie. Recykling litu z tych ogniw pomoże zapewnić stałe dostawy metalu, ale także zmniejszy zanieczyszczenie środowiska. Nie zmienia to faktu, że producenci samochodów są zmuszani przez okoliczności do działań, na których się niekoniecznie znają, np. wydobycia rud metali. Takie problemy na wczesnym rozwoju rynku nie wróżą dobrze na przyszłość.

Stąd równolegle prowadzone są prace badawcze nad ogniwami niebazującymi na licie. To nic nowego w sumie, ale w ostatnich miesiącach pojawiły się doniesienia w Nature Communications o ważnych sukcesach, np. o akumulatorach zawierających aluminiową folię, która tworzy anodę. Drugi ważny kierunek to ogniwa ze stałym elektrolitem (solid state), które przy okazji rozwiązują zagrożenie pożarem. Nawet jeśli nie będą one miały dobrych parametrów związanych z gęstością energii, mogą wygrać na rynku dzięki większemu bezpieczeństwu.

Zwiększanie pojemności ogniw z elektrolitem ciekłym wiąże się z użyciem cieńszych separatorów i bardziej aktywnych materiałów, przez co rośnie ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury podczas ładowania i rozładowywania. Elektrolit w stanie stałym wykazuje większą stabilność strukturalną i skuteczniej zapobiega mikrozwarciom w ogniwach. W rezultacie akumulatory tego typu stają się optymalnym rozwiązaniem, zachowując równowagę między bezpieczeństwem a gęstością energii. Są one wykonywane na bazie siarczków, tlenków i materiałów polimerowych.

W zależności od udziału wagowego ciekłych elektrolitów, takie typy akumulatorów są dalej klasyfikowane jako półstałe lub stałe. Biorąc pod uwagę wymagania dotyczące gęstości energii, wydajności ładowania i rozładowania oraz bezpieczeństwa, siarczki i tlenki uznano za najbardziej odpowiednie materiały dla motoryzacji.

W tym zakresie przodują japońscy producenci samochodów, skupiający się głównie na siarczkach. Wiele patentów ma Toyota, która niedawno połączyła siły z Panasonikiem i powołała firmę zajmującą się rozwojem akumulatorów ze stałym elektrolitem. Plany mówią o rozpoczęciu masowej produkcji pojazdów wyposażonych w takie akumulatory do 2027 r., co pokazuje, że nie są to koncepcje lub badania naukowe, ale technologie prawie gotowe do wdrożenia. Europejscy i amerykańscy producenci testują wszystkie trzy typy, co oznacza, że są nieco w tyle. To wszystko ma być już za 4 lata – w motoryzacji praktycznie moment, więc chyba rozsądnie jest poczekać z kupowaniem elektryka.

Robert Magdziak