Audi: Profesorze Fichtner, akumulatory są najważniejszą częścią pojazdu elektrycznego. Który z nich jest najlepszy?

Profesor dr Maximilian Fichtner: Najlepszy jest oczywiście akumulator, który w zależności od pojazdu i jego przeznaczenia łączy w sobie najlepsze właściwości w zakresie pojemności, szybkiego ładowania, niskich kosztów, bezpieczeństwa i zrównoważonego rozwoju. W klasie luksusowej liczy się duży zasięg. W klasie kompaktowej bateria powinna być znacznie tańsza, ale nie musi oferować tak dużej pojemności.

Miejsce na akumulator w pojeździe elektrycznym jest ograniczone. Do jakiej konstrukcji należy dążyć, aby akumulator o tym samym rozmiarze oferował jeszcze większą pojemność?

Niektórzy producenci pracują nad tak zwanym „cell-to-pack design” lub „cell-to-body design”. W tych przypadkach zestawy baterii nie składają się już z ogniw wielkości tabliczki czekolady, ale są one wielkości deski. Takie większe jednostki wymagają mniej materiału opakowaniowego, zapewniając tym samym więcej miejsca na rzeczywisty materiał magazynujący. Osiągają one gęstość integracji przekraczającą 70%, podczas gdy zwykłe baterie osiągają tylko około 50%.

Producenci pojazdów elektrycznych, którzy chcą opracować własne akumulatory, mogą od samego początku wziąć pod uwagę te skoki technologiczne. W końcu nie chodzi o pojedyncze ogniwo akumulatora, ale raczej o budowanie ogniw, które zajmują jak najmniej miejsca, a jednocześnie są jak największe.

Jakiego rodzaju postępu spodziewa się Pan w dziedzinie akumulatorów w nadchodzących latach?

Spodziewamy się skokowego postępu. Na rok 2023 dwóch chińskich producentów zapowiedziało pierwsze zestawy akumulatorów umożliwiające zasięg ponad 1000 kilometrów. Jednocześnie oczekuje się, że taki akumulator będzie można naładować do zasięgu 700 km w mniej niż 10 min.

Jako badacz, sam jestem zaskoczony dynamiką tego rozwoju. Byłby to wielki skok w technologii akumulatorów, który nie opiera się nawet na wymyślnej nowej chemii, ale raczej na środkach technologicznych.

Moc ładowania jest w takich rozważaniach często zaniedbywana. Jaki jest związek między szybkością ładowania a technologią baterii?

To prawda, ponieważ rzadko przejeżdża się 600 kmna raz. Dlatego ważne jest, aby duże baterie były w stanie szybko się ładować. W końcu o to właśnie chodzi. Kiedy można naładować akumulator pojazdu elektrycznego z 10 do 80% w zaledwie 10 min, to dla silnika spalinowego oznacza wypadnięcie z gry.

Istnieją materiały, które umożliwiają szybsze ładowanie akumulatorów, podczas gdy ładowanie innych trwa dłużej. Technicznie rzecz biorąc, jony litu przemieszczają się z katody do anody podczas ładowania, a anoda przechowuje jony litu, gdy bateria jest naładowana.

Obecnie do anody dodawana jest warstwa grafitu. Niektórzy producenci baterii chcą zamiast tego stosować kompozyty krzemowo-węglowe, ponieważ można je ładować znacznie szybciej, nawet w niskich temperaturach. Istnieje duży potencjał rozwoju, jeśli chodzi o materiały. Zmieniając materiał samej anody, ogniwo jako całość zyska o 30% większą pojemność. Wciąż więc czekają nas niesamowite przełomy.

Poza tym, jeśli chcesz naładować akumulator o pojemności 60 kWh w dziesięć minut, będziesz potrzebować ładowarki do pojazdów elektrycznych o mocy ładowania 360 kW. Tak więc obecnie to nie moc akumulatora jest ograniczona, ale raczej infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych.

Popatrzmy na smartfony: wydajność ich baterii znacznie spada po dwóch lub trzech latach częstego użytkowania. Jak długa jest żywotność akumulatora samochodu elektrycznego?

Takie baterie są zupełnie inne, a smartfony są zaprojektowane tak, by można je było wymienić po trzech latach. W pojeździe elektrycznym system kontroli baterii jest znacznie bardziej inteligentny, a bateria jest chroniona przed przegrzaniem i innymi szkodliwymi czynnikami na wiele sposobów, takich jak inteligentne zarządzanie ładowaniem.

Badania przeprowadzone na nowszych pojazdach pokazują, że po pięciu latach 95 procent pozostałej pojemności akumulatora jest zwykle nadal dostępne. Akumulator trakcyjny w pojeździe elektrycznym jest zaprojektowany na 2000 pełnych cykli. Przykład: 2000 razy zasięg 500 km daje 1 mln km pojemności.

Po tych 2000 pełnych cykli, bateria osiąga próg 80% pojemności resztkowej, co jest uważane za koniec żywotności baterii. Jednak bateria nie jest jeszcze zepsuta i może nadal wykonywać dobrą robotę przez kolejne dziesięć lat, na przykład w stacjonarnym systemie magazynowania energii w elektrowniach fotowoltaicznych lub wiatrowych.

Na całym świecie powstają gigafabryki produkujące baterie. Czy w nadchodzących latach lub dekadach będzie wystarczająca ilość surowców do produkcji ogniw?

Obecnie, dostępna ilość surowców jest wystarczająca. Jednak moce produkcyjne nie zostały jeszcze dostosowane do szybko rosnącego popytu, więc w niektórych obszarach mogą wystąpić wąskie gardła. Naukowcy starają się zaradzić tej sytuacji, na przykład poprzez całkowite wyeliminowanie kobaltu z nowych baterii i częściowe zastąpienie litu sodem w przyszłości. Jest to coś, co znacznie zmniejszy potencjalny niedobór surowców.

Jak ważne w tym kontekście są procesy recyklingu zużytych baterii?

Są bardzo ważne. Szacuje się, że od około 2034 r. połowa potrzebnych surowców będzie już poddawana recyklingowi. Obecnie w Europie istnieje 38 zakładów recyklingu baterii, które opracowują nowe procesy i zwiększają swoje moce produkcyjne. Oblicza się, że w połowie lat 2030. trzeba będzie poddać recyklingowi duże ilości akumulatorów do pojazdów elektrycznych – należy się na to przygotować.

Akumulator stanowi dużą część kosztów pojazdu elektrycznego. Co należy zrobić, aby obniżyć te koszty?

W tym celu konieczne jest stosowanie tańszych materiałów, tj. surowców, które są powszechne, występują na całym świecie i mogą być wydobywane bezkrytycznie. Ponadto producenci muszą opracować nowe procesy oszczędzające energię i czas.

Oprócz przejścia na bardziej zrównoważone materiały, megatrendem w produkcji baterii jest redukcja kosztów. Ma to zastosowanie wszędzie: mniej miejsca, mniej energii, mniej czasu. W dziedzinie rozwoju wiele się dzieje i dzieje się to szybciej, niż mogłoby się wydawać. Rozwój baterii jest obecnie niezwykle ekscytujący.

***
Prof. dr Maximilian Fichtner prowadzi w Niemczech badania nad technologią akumulatorów przyszłości. Jest dyrektorem zarządzającym Helmholtz Institute Ulm Electrochemical Energy Storage (HIU), który koncentruje się na badaniach i rozwoju koncepcji akumulatorów elektrochemicznych nowej generacji i nie tylko. W HIU, założonym w 2011 roku przez Karlsruhe Institute of Technology (KIT), około 150 naukowców bada dalszy rozwój podstaw przyszłościowych systemów magazynowania energii do użytku stacjonarnego i mobilnego. Fichtner jest nie tylko dyrektorem HIU, ale także liderem grupy badawczej Solid State Chemistry. Ponadto jest również dyrektorem CELEST, Center for Electrochemical Energy Storage Ulm & Karlsruhe, platformy badawczej, która łączy podstawowe badania zorientowane na zastosowania z praktycznym rozwojem i innowacyjnymi technologiami produkcji. Jest również rzecznikiem klastra doskonałości POLiS prowadzącego badania nad bateriami przyszłości, które są mocniejsze, bardziej niezawodne, bardziej zrównoważone i bardziej przyjazne dla środowiska niż obecne baterie litowo-jonowe.

Źrodło: Audi