• Po 30 latach od wprowadzenia na rynek pierwszej baterii litowo-jonowej technologia ta wciąż zyskuje na popularności, uznawana dziś za jeden z podstawowych sposobów magazynowania energii.
• Jednym z kluczowych warunków postępu w rozwoju technologii litowo-jonowej jest jednak zmiana konstrukcji akumulatorów. 
• Aby zwiększyć pojemność akumulatora bez powiększania jego gabarytów, należy ograniczyć ilość materiałów pasywnych na rzecz komponentów aktywnych. 
• Jedną z konsekwencji zmniejszenia dysproporcji między elementami aktywnymi a pasywnymi może być popularyzacja technologii litowo-żelazowo-fosforanowej. 
• W kolejnych latach konstrukcja akumulatorów Li-ion może jeszcze zyskać na elastyczności. Trend ten, określany mianem cell-to-car, polega ni mniej, ni więcej tylko na bezpośredniej integracji ogniw akumulatora z karoserią pojazdu
• W akumulatorach półprzewodnikowych problem ten został rozwiązany przez zastąpienie płynnego elektrolitu medium stałym, które z racji swojej konsystencji nie może wyciec ani się ulotnić.
   

Po 30 latach od wprowadzenia na rynek pierwszej baterii litowo-jonowej technologia ta wciąż zyskuje na popularności, uznawana dziś za jeden z podstawowych sposobów magazynowania energii. Nic dziwnego: wszak niemal każdy nowy samochód elektryczny opuszczający taśmę produkcyjną jest wyposażony w baterię Li-ion, a same akumulatory od 1990 r. z roku na rok stają się coraz wydajniejsze. Nie oznacza to jednak, że ich potencjał został już w pełni wykorzystany. Wręcz przeciwnie: coraz to nowi producenci udowadniają, że mają nam one jeszcze wiele do zaoferowania.

Jednym z najbardziej zauważalnych trendów ostatnich lat jest spadek cen akumulatorów. Jeszcze 10 lat temu jedna kilowatogodzina energii zmagazynowanej w baterii litowo-jonowej kosztowała 1000 euro. Dziś trzeba za nią zapłacić zaledwie 100 euro, a w przyszłości – jak przewiduje m.in. Stanley Whittingham, jeden z trzech wynalazców technologii litowo-jonowej i zdobywca nagrody Nobla z 2019 r. – może to być już tylko 50 euro.

Równocześnie podwojeniu ulegnie prawdopodobnie gęstość energii akumulatora, co przełoży się albo na znaczny wzrost zasięgu napędzanych nim pojazdów, albo na równie wyraźną redukcję gabarytów baterii. Być może już niebawem zasięg 600-700 km na jednym ładowaniu przestanie być zarezerwowany dla samochodów premium, a stanie się udziałem także aut z niższej półki.

Ewolucja akumulatorów litowo-jonowych

Jednym z kluczowych warunków postępu w rozwoju technologii litowo-jonowej jest jednak zmiana konstrukcji akumulatorów. Obecnie tylko w niewielkiej części składają się one z komponentów aktywnych, tj. takich, które są bezpośrednio odpowiedzialne za magazynowanie energii. Przeważającą część baterii samochodów elektrycznych stanowią zaś materiały pasywne, w tym elektrolit, obudowa oraz złącza i przewody elektryczne.

U źródeł tej dysproporcji leży przestarzała konstrukcja baterii: każda podzielona jest bowiem na ogniwa przybierające najczęściej formę poduszek z tworzywa sztucznego, pryzm lub cylindrów, które – zamknięte w obudowie – tworzą większe moduły składające się dopiero na gotowy akumulator. Taka budowa wymaga zastosowania bardzo dużych ilości materiału montażowego i opakowaniowego, co zwiększa objętość gotowego pakietu, a tym samym także koszty i złożoność procesów produkcyjnych.

CATL: ogniwa bezpośrednio zintegrowane z obudową

Z tej perspektywy staje się jasne, że aby zwiększyć pojemność akumulatora bez powiększania jego gabarytów, należy ograniczyć ilość materiałów pasywnych na rzecz komponentów aktywnych. Proces ten w teorii można kontynuować aż do osiągnięcia granicy fizycznych i chemicznych możliwości materiału ogniwa. Punktu tego jeszcze długo jednak nie osiągniemy.

Nie oznacza to bynajmniej, że nie próbujemy. W ostatnim czasie próbę taką podjął chiński producent ogniw CATL: firma zrezygnowała z klasycznej modułowej konstrukcji baterii, zamiast tego bezpośrednio integrując ogniwa z obudową (tzw. technologia cell-to-pack). Umożliwiło to wzrost gęstości energii o 10-15% przy zachowaniu tej samej masy akumulatora. Zaś przy takiej samej pojemności pozwoliło ograniczyć gabaryty baterii średnio o 1/5 w porównaniu z klasycznymi konstrukcjami.

Kolejny krok: akumulator cell-to-car

Liczby te okazały się na tyle przekonujące, że skłoniły Teslę do częściowej rezygnacji z klasycznej modułowej technologii Li-ion dostarczanej przez Panasonica i LG Chem. Ich miejsce w niektórych wersjach modelu 3 mają wkrótce zająć baterie marki CATL. Również Volkswagen zapowiedział niedawno przejście na konstrukcję cell-to-pack: pierwsze bazujące na niej akumulatory zostaną jednak wprowadzone na rynek dopiero w połowie dekady w ramach wewnętrznego projektu „Artemis” i mają być docelowo montowane we wszystkich nowych modelach VW.

To jednak nie wszystko: wiele wskazuje bowiem na to, że w kolejnych latach konstrukcja akumulatorów Li-ion może jeszcze zyskać na elastyczności. Trend ten, określany mianem cell-to-car, polega ni mniej, ni więcej tylko na bezpośredniej integracji ogniw akumulatora z karoserią pojazdu – bez stosowania dodatkowej obudowy. Tym samym samochód stałby się de facto baterią na kółkach. Nad tego typu akumulatorem pracuje już CATL: według wstępnych deklaracji pierwsze modele mają pojawić się na rynku w 2030 r. Mocno zainteresowana tym tematem wydaje się także Tesla.

Akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LiFePO₄)

Skład stosowanych obecnie ogniw skutecznie wyklucza jednak możliwość wdrożenia akumulatorów zintegrowanych z karoserią. Nawet mała stłuczka parkingowa groziłaby bowiem niebezpiecznym w skutkach pożarem baterii. Niebawem może się to jednak zmienić: optymalizacja rozkładu i ilości pasywnych komponentów otwiera bowiem nowe możliwości rozlokowania części aktywnych.

Jedną z konsekwencji zmniejszenia dysproporcji między elementami aktywnymi a pasywnymi może być popularyzacja technologii litowo-żelazowo-fosforanowej (LiFePO₄), która do tej pory nie zyskała większego poklasku głównie ze względu na stosunkowo duże gabaryty akumulatorów. Jako że w nowych konstrukcjach obudowa, styki i przewody zajmują zdecydowanie mniej miejsca, nie stanowi to już jednak problemu: można bowiem przeznaczyć więcej przestrzeni na same ogniwa.

Nieco większe gabaryty tracą zresztą na znaczeniu, jeśli wziąć pod uwagę, że akumulatory LiFePO₄ są dużo bardziej bezpieczne w użytkowaniu niż baterie Li-ion. Nawet poważne uszkodzenie mechaniczne akumulatora nie grozi bowiem jego samozapłonem. Co więcej, baterie LiFePO₄ nie zawierają niklu, który jest nie tylko drogi i rzadki, ale też potencjalnie niebezpieczny dla środowiska. Tego typu akumulatory ma już w swojej ofercie m.in. CATL oraz BYD – chiński producent baterii i pojazdów, który niedawno wypuścił na ulice pierwszą limuzynę o nazwie Han wyposażoną w tzw. baterie Blade.

Bezpieczny akumulator półprzewodnikowy

Jeszcze więcej w temacie bezpieczeństwa ma do zaoferowania akumulator półprzewodnikowy. Baterie Blade firmy BYD w przypadku uszkodzenia mechanicznego generują bowiem wprawdzie mniejsze ilości ciepła niż konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe, ale wciąż wypełnione są organicznym, łatwopalnym elektrolitem, zbliżonym pod względem składu chemicznego do zwykłej benzyny.

W akumulatorach półprzewodnikowych problem ten został rozwiązany przez zastąpienie płynnego elektrolitu medium stałym, które z racji swojej konsystencji nie może wyciec ani się ulotnić, co skutkuje znacznie mniejszą palnością. Szacuje się, że pojazdy napędzane tego typu bateriami mogą wyjechać na ulice jeszcze w tej dekadzie. Nad ich wdrożeniem intensywnie pracuje m.in. Toyota, która do tej pory raczej z rezerwą odnosiła się do samochodów elektrycznych napędzanych wyłącznie akumulatorowo.

Kobalt, miedź, grafit i lit na cenzurowanym

Wiele materiałów obecnie stosowanych do budowy akumulatorów wkrótce może jednak zniknąć z obiegu. Najwyższą pozycję na czarnej liście tego typu surowców zajmuje kobalt. Ale także miedź, grafit, a nawet lit mają wszelkie predyspozycje ku temu, by znaleźć się na cenzurowanym – czy to ze względu na wysoką cenę, problemy zaopatrzeniowe czy z przyczyn ekologicznych bądź wizerunkowych.

Najdłużej na rynku utrzyma się prawdopodobnie lit: upłynie jeszcze zapewne wiele lat, zanim w sprzedaży pojawi się alternatywa, która będzie w stanie zagrozić popularności akumulatorów Li-ion. Trzeba bowiem pamiętać, że większość „cudownych” baterii, o których regularnie słyszymy w mediach, nie nadaje się do stosowania w samochodach. A jeśli nawet powstałaby taka technologia, jej dopracowanie i przetestowanie zajmie wiele lat, a być może i dziesięcioleci. Najlepszym dowodem na to jest historia baterii litowo-jonowych.

Na podstawie artykułu „Entwickler haben mit Lithium-Ionen-Akkus noch viel vor” opublikowanego na stronie www.kfz-betrieb.vogel.de