Pięć trendów w rozwoju akumulatorów do e-samochodów
Adobe Stock – estradaantonPrace nad idealnym akumulatorem do samochodu elektrycznego trwają w najlepsze. Firmy z branży motoryzacyjnej prowadzą badania nad uzyskaniem większych zasięgów elektryków i starają się obniżyć koszty produkcji.
- Akumulatory fosforanowo-litowo-żelazowe (LiFePO4) pozwolą zrezygnować z krytycznych surowców takich jak nikiel i kobalt,
- Bezpośrednie umieszczene materiałów aktywnych akumulatora na podwoziu pozwoli na zmniejszenie masy samochodu,
- Samochody z 800-woltowym systemem mogą być ładowane prądem o wyższym natężeniu,
- Nadal nie jest jasne, kto przejmie kontrolę nad recyklingiem akumulatorów – producenci samochodów, producenci akumulatorów, czy wyspecjalizowane firmy,
- Akumulatory półprzewodnikowe nie zawierają płynnego elektrolitu, są mniej narażone na zapalenie się w razie wypadku niż obecne systemy magazynowania energii.
Najprawdopodobniej w najbliższych latach szczególną rolę w pracach nad poszukiwaniem wydajniejszych i ekologicznych akumulatorów odegra 5 poniższych trendów.
Nowa mieszanka surowców
Obecnie większość producentów samochodów elektrycznych stosuje akumulatory litowo-jonowe na bazie niklu. Stosowane w nich materiały są deficytowe i drogie. W niektórych przypadkach ich stosowanie jest kontrowersyjne społecznie i ekologicznie. Poszukiwanie alternatywnych rozwiązań jest więc z różnych powodów interesujące dla badań i przemysłu. Przykładowo: w centrum uwagi znów pojawia się technologia fosforanu litowo-żelazowego (LiFePO4), która w dużej mierze pozwala zrezygnować z krytycznych surowców, takich jak nikiel i kobalt. Akumulatory stosowane obecnie np. przez Teslę i Grupę BYD mają słabe strony pod względem zasięgu, ale nadrabiają to innymi zaletami. Przede wszystkim przewyższają akumulatory niklowe pod względem kosztów, ale także bezpieczeństwa eksploatacji i trwałości.
Jednym z przyszłych rozwiązań mogą być akumulatory sodowo-jonowe, które są obecnie po raz pierwszy testowane w Chinach. Zamiast litu wykorzystuje się w nich w elektrodzie łatwo dostępny sód. Jednak gęstość energii jest jeszcze gorsza niż w przypadku baterii litowo-niklowych lub litowo-żelazowo-fosforanowych.
Jedno jest pewne: liczba różnych chemii ogniw będzie nadal rosła, a w przyszłości kilka wariantów baterii będzie funkcjonować równolegle. Chiński producent samochodów Aiways przewiduje, że do 2030 r. globalne zapotrzebowanie na akumulatory wzrośnie o ok. 30%, do 4500 GWh rocznie.
Konstrukcja stwarza potencjał do poprawy
Dobra chemia ogniw to nie wszystko.Także struktura akumulatorów oferuje wiele możliwości do optymalizacji. Im więcej bowiem aktywnych materiałów magazynujących energię znajduje się w akumulatorze, tym większy będzie jego zasięg.
Dlatego producenci akumulatorów intensywnie pracują, aby pozbyć się z akumulatorów zbędnych materiałów oraz zaoszczędzić na kablach, elementach złącznych i częściach z tworzyw sztucznych, zastępując je komponentami magazynującymi energię.
Zamiast umieszczać poszczególne ogniwa w obudowach modułowych, a następnie łączyć te moduły w celu utworzenia akumulatora, obecnie integruje się je bezpośrednio w obudowie akumulatora – „cell-to-pack”.
W kolejnym etapie wyeliminowana zostanie także obudowa zewnętrzna, a materiały aktywne będą umieszczone bezpośrednio na podwoziu samochodu. Technologia od ogniwa do podwozia („cell-to-chassis”) to jednak wciąż marzenie – możliwe do zrealizowania przede wszystkim w samochodach luksusowych i sportowych.
Większe napięcie dla większej mocy
Standardowy akumulator rozruchowy w samochodzie wytwarza napięcie 12 V. To w zupełności wystarczy do pracy małego silnika elektrycznego, który uruchamia duży silnik spalinowy. Jeśli chcemy poruszać się samochodem z napędem całkowicie elektrycznym, potrzebujemy znacznie wyższego napięcia.
Większość producentów samochodów elektrycznych stosuje napięcie ładowania 400 V. Niektórzy jednak już podwajają tę wartość. Ma to ogromną zaletę – przynajmniej w teorii. Dzieje się tak dlatego, że moc elektryczna jest iloczynem napięcia (woltów) i prądu (amperów). Jeśli napięcie pokładowego systemu samochodu elektrycznego zostanie zwiększone, jego moc wzrasta przy stałym prądzie.
To szczególnie ważne nie tylko podczas przyspieszania, ale także podczas ładowania akumulatora: samochód z systemem 400-woltowym ładuje się na stacji ładowania o natężeniu 500 A, z maksymalną mocą ładowania 200 kW. Teoretycznie samochód 800-woltowy ma dwukrotnie większą wartość napięcia, więc jego akumulatory są również dwukrotnie szybciej ładowane.
Do tej pory tylko kilku producentów samochodów (m.in. Porsche, Hyundai, Audi i Rimac) zastosowało systemy 800-woltowe. W międzyczasie prace nad podwojeniem poziomu napięcia rozpoczęli także inni producenci e-samochodów (Renault, Nissan czy marki należące do grupy Stellantis).
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Recykling surowców
Przeciwnicy samochodów elektrycznych lubią używać tematu recyklingu jako argumentu przeciwko elektryfikacji transportu drogowego. Zwracają również uwagę na mrożący krew w żyłach obraz wysoce toksycznych hałd odpadów z akumulatorów. Jest to jednak mało prawdopodobne.
W połowie grudnia 2022 r. Parlament Europejski wprowadził bowiem rygorystyczne normy recyklingu dla zużytych akumulatorów. Na przykład nikiel i kobalt od 2027 r. będą musiały być poddawane recyklingowi w 90%, a od 2031 r. – w 95%. Obok presji politycznej jest również presja ekonomiczna – surowców używanych do produkcji baterii jest bardzo mało i są drogie, więc ich odzysk jest pożądany.
Jak dotąd recykling akumulatorów Europie odbywa się tylko na niewielką skalę. Najpóźniej za 10 lat, kiedy pierwsza duża fala samochodów elektrycznych powoli osiągnie koniec swojego życia, recykling akumulatorów prawdopodobnie stanie się ważnym obszarem działalności.
Jednak nadal nie jest jasne, kto przejmie kontrolę nad recyklingiem akumulatorów – producenci samochodów, producenci akumulatorów, czy wyspecjalizowane firmy. Pewne jest jednak, że akumulatory będą w coraz większym stopniu optymalizowane pod kątem przydatności do recyklingu, zarówno pod względem konstrukcji, jak i zawartości.
Ciało stałe zamiast cieczy
Akumulator półprzewodnikowy jest wielką nadzieją w technologii akumulatorowej. Ponieważ jego ogniwa nie zawierają płynu elektrolitowego, są mniej narażone na zapalenie się w razie wypadku niż obecne systemy magazynowania energii, które są wypełnione lepkim płynem. Ponadto ich produkcja jest prostsza i tańsza.
Akumulatory ze stałym elektrolitem zapewnią również większy zasięg i krótszy czas ładowania. W kwietniu 2022 r. Nissan wywołał poruszenie w technologii półprzewodnikowej. Japończycy ogłosili wówczas, że od 2024 r. rozpoczną produkcję pilotażową nowej technologii akumulatorów, a pierwszy samochód produkowany seryjnie z nowym typem baterii ma się pojawić w 2028 r.
Nie ulega jednak wątpliwości, że wszyscy pozostali liczący się producenci samochodów również prowadzą na pełnych obrotach badania nad superakumulatorem. Trudno jednak przewidzieć, kiedy i w jaki sposób ta technologia trafi do samochodów. Niektórzy przedstawiciele branży automotive spodziewają się przełomu na dużą skalę, inni widzą akumulatory półprzewodnikowe w luksusowej niszy.
Źródło: www.kfz-betrieb.vogel.de
