Czy akumulatory Li-Ion rozwijają się zgodnie z prawem Moore'a?
| TechnikaZnajdujemy się obecnie w trakcie kolejnej rewolucji technologicznej, w dużej mierze napędzanej przez akumulatory litowo-jonowe. Znaczna część urządzeń elektrycznych zasilanych bateryjnie wyposażona jest w tego typu źródła zasilania – od smartfonów, poprzez laptopy, aż do pojazdów hybrydowych oraz elektrycznych.
W rozwój tej technologii wciąż inwestuje się znaczne środki, ogromny jest też popyt. Wykres całkowitej wartości globalnego rynku akumulatorów Li-Ion na przestrzeni ostatnich lat przedstawiono na rysunku 1. Można zauważyć, że poziom sprzedaży tego typu produktów dla potrzeb elektroniki użytkowej jest stosunkowo płaski i charakteryzuje się niewielką dynamiką. Wzrost rynku generowany jest głównie przez rosnące zapotrzebowanie na pojazdy elektryczne oraz hybrydowe, coraz chętniej wybierane przez konsumentów i z każdym rokiem stanowiące bardziej atrakcyjną alternatywę dla pojazdów spalinowych.
Prognozuje się, że dzięki rosnącemu zainteresowaniu elektromobilnością w ciągu następnej dekady rynek akumulatorów Li-Ion rozwijać się będzie ze skumulowanym rocznym wskaźnikiem wzrostu (CAGR, Compound Annual Growth Rate) na poziomie 17% dla całkowitej wartości pojemności sprzedanych układów (mierzonej w MWh) oraz 12% dla wartości tej sprzedaży (rys. 2).
Wielu ekspertów oraz obserwatorów rynku zastanawia się, czy technologia Li-Ion okaże się wystarczająco efektywna, aby zaspokoić rosnące wymagania stawiane przez producentów pojazdów elektrycznych i zapewnić odpowiedni stosunek ich pojemności do wagi (mierzony w Wh/kg) oraz pojemności do objętości (mierzony w Wh/L). Wzrost tych wskaźników jest krytyczny dla globalnego upowszechnienia elektromobilności. Często podkreśla się, że od pewnego czasu poprawa tych współczynników wynosi od 5% do 8% w skali roku, co stanowi pewną analogię do powszechnie znanego wśród producentów układów półprzewodnikowych prawa Moore’a.
Prawo Moore’a sformułowane zostało w 1965 roku w publikacji autorstwa Gordona Moore’a, współzałożyciela firmy Intel. Prognozował on, że gęstość upakowania tranzystorów na podłożu krzemowym (maksymalna możliwa liczba tranzystorów w układzie scalonym o określonej wielkości) będzie podwajać się co dwa lata. Prognoza ta zadziałała zapewne częściowo jako samospełniająca się przepowiednia, ponieważ, z powodu swojej popularności, stanowiła jeden z czynników mobilizujących producentów układów scalonych do poszukiwania rozwiązań i prowadzenia badań nad miniaturyzacją elementów. Spełnienie prawa Moore’a stało się jednym z czynników wykorzystywanych do oceny kondycji branży. Wyrażona przez Gordona Moore’a opinia nie ma jednak nic wspólnego z prawem w rozumieniu naukowym, nie jest oparta na żadnych fizycznych dowodach, stanowi jedynie prognozę rozwoju rynku półprzewodników. Wypełnienie prawa Moore’a przez rynek półprzewodników możliwe było przede wszystkim dzięki silnej motywacji ekonomicznej (rewolucja technologiczna, rynek globalny o dużej dynamice) oraz specyfice tej technologii, umożliwiającej wykładniczy rozwój. Rozwój technologii produkcji półprzewodników umożliwił rewolucję informatyczną oraz komunikacyjną, która całkowicie odmieniła kształt świata oraz wpłynęła na życie wszystkich jego mieszkańców.
`Technologia Li-Ion również ma pewne cechy, które mogą pozwolić jej stać się współczesnym odpowiednikiem technologii CMOS, napędzającym kolejną rewolucję technologiczną. Jak wspomniano, od pewnego czasu parametry akumulatorów charakteryzują się ciągłą poprawą, w tempie ok. 5–8% w skali roku. Nie jest to wprawdzie tak dużo, jak 40% rocznie postulowane przez prawo Moore’a, wciąż jest to jednak wzrost wykładniczy. Podstawową różnicą pomiędzy perspektywami rozwoju technologii CMOS a Li-Ion jest fakt, że w przypadku Li-Ion znacząca poprawa efektywności wiąże się w dużej mierze z opracowywaniem nowych procesów technologicznych, wykorzystujących odmienne substancje chemiczne. Na rysunku 3 wymieniono znane obecnie technologie wytwarzania akumulatorów oraz związane z nimi maksymalne osiągalne gęstości energii. Opracowanie i wdrożenie do masowej produkcji każdego z rodzajów technologii wymaga znaczącej ilości czasu oraz nakładów finansowych. Przykładowo, pierwsze prace nad akumulatorami LFP (Lithium Iron Phospate) rozpoczęto w 1996 roku, zaś wprowadzenie ich do powszechnego użytku nastąpiło dopiero kilkanaście lat później, na przełomie pierwszej i drugiej dekady XXI wieku.
W celu utrzymania wykładniczego rozwoju technologii Li-Ion koniecznie będzie opracowywanie w przyszłości nowych technologii, wykorzystujących nowe substancje chemiczne. Ulepszenia w obrębie znanych technologii mogą prowadzić jedynie do postępu w tempie liniowym. Być może kolejny znaczący postęp przyniesie wprowadzenie akumulatorów litowo-powietrznych oraz litowo-siarkowych. Teoretyczny limit gęstości energii możliwej do zgromadzenia w dowolnym materiale oscyluje w granicach ok. 1 eV na każdy atom materii, co powinno pozwolić na osiągnięcie ok. 850 Wh/kg. Jest to wartość około pięciokrotnie większa od osiągalnej w najbardziej wydajnej obecnie technologii litowo-kobaltowej. Być może, utrzymując obecną tendencję wykładniczego wzrostu, w ciągu kilku dekad uda się osiągnąć podobny poziom gęstości upakowania energii w akumulatorach, zaś rozwój technologii magazynowania energii z perspektywy czasu uznawany będzie powszechnie za wielki przełom w technice, porównywalny z upowszechnieniem półprzewodników. Na obecną chwilę można zaś stwierdzić, że w przypadku rozwoju akumulatorów Li-Ion mamy do czynienia ze zjawiskiem będącym mniej dynamicznym odpowiednikiem prawa Moore’a.
Damian Tomaszewski
