Technologija, paversianti vidaus degimo variklius automobiliuose tik nostalgija: kuo ypatingos kietojo elektrolito baterijos?

Dr. Benas Gabrielis Urbonavičius, Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) docentas

Įsivaizduokite išmanųjį telefoną, kurio baterija išlieka gyvybinga dvigubai ilgiau, arba elektromobilį, galintį nuvažiuoti 600 km vienu įkrovimu ir įkraunamą per kelias minutes. Būtent tokia pažanga prognozuojama pradėjus naudoti kietojo elektrolito baterijas (angl. solid-state batteries) – tai naujos kartos energijos kaupikliai, kurie pastaraisiais metais sulaukia milžiniško mokslininkų ir pramonės dėmesio.

Šią technologiją iš pirmo žvilgsnio galima būtų priskirti prie kitų popierinių (tik teoriškai egzistuojančių) produktų (angl. vaporware), tokių kaip komercinė sintezės energetika ar vandenilinis transportas. Tačiau nuolatiniai tyrimai ir prototipai rodo potencialų kietojo elektrolito baterijų proveržį jau artimoje ateityje.

Leis patobulinti daugelį ličio jonų baterijų charakteristikų

Kietojo elektrolito baterija – tai elektros energijos kaupiklis, kurio viduje vietoje skysto ar gelinio naudojamas kietas elektrolitas jonų pernašai tarp teigiamo ir neigiamo elektrodo. Baterijos sandara iš esmės išlieka panaši į tradicinę – yra du elektrodai (anodas ir katodas) ir juos skiriantis elektrolitas, tik visos dalys yra kietos fazės.

Įkrovimo ir iškrovimo principas taip pat panašus: kraunant ličio jonai migruoja per elektrolitą iš katodo į anodą, o iškraunant – atgal į katodą, tik šiame procese jonai keliauja per kietą terpę. Dažniausiai tokiose baterijose naudojamas keraminis, stiklinis arba kietas polimerinis elektrolitas vietoj įprasto skysto organinio tirpalo.

Skirtingai nuo skystojo elektrolito baterijų, kietojo būvio akumuliatoriuje elektrolitas tuo pačiu atlieka ir atskyriklio (separatoriaus) funkciją – jis fiziškai izoliuoja elektrodus, neleisdamas jiems susiliesti, bet praleidžia ličio jonus. Dėl to teoriškai kietojo elektrolito baterijos gali pasiekti gerokai didesnį energijos tankį nei standartiniai ličio jonų elementai.

Prognozuojama, kad kietojo elektrolito baterijos leis patobulinti daugelį dabartinių ličio jonų baterijų charakteristikų. Pasak Lietuvos energetikos agentūros, tokie akumuliatoriai pasižymi didesniu energijos tankiu, didesniu saugumu ir ilgesne eksploatavimo trukme, nors plačiam komerciniam pritaikymui dar reikia laiko.

Žymiai didesnis energijos tankis

Kadangi galima naudoti metalinį ličio anodą ir atsisakyti masyvių grafito elektrodų bei skysto elektrolito, kietojo elektrolito baterijos teoriškai gali sukaupti daugiau energijos tūrio ir masės vienetui. Jau yra prototipinių baterijų, kurių energijos tankis apie 500 Wh/kg – maždaug dvigubai didesnis nei klasikinių ličio jonų. Toks baterijų patobulinimas elektromobiliui leistų nuvažiuoti beveik 70 % didesnį atstumą (vietoje 300 km – apie 500–600 km).

Prognozuojama, kad pirmieji kietojo elektrolito sprendimai padidins įrenginių baterijų talpą bent 20–30 %, lyginant su analogiško dydžio ličio jonų baterija. Tai reikštų, jog, pavyzdžiui, išmanusis telefonas, šiandien veikiantis apie 24 valandas tipinio naudojimo, su naujo tipo baterija veiktų galbūt 30 valandų ar ilgiau.

Kalbant apie elektromobilius, kietojo elektrolito technologija tiesiogiai reiškia didesnį nuvažiuojamą atstumą. „Toyota“ skaičiavimais, vien perėjus prie kietojo elektrolito elementų, elektromobilių nuvažiuojamas atstumas gali padidėti apie 70 %. „Samsung“ kartu su partneriais paskelbė pasiekę 500 Wh/kg energijos tankį, leidžiantį elektromobiliui nuvažiuoti apie 950 km su pilna įkrova.

Žinoma, konkretus prieaugis priklausys nuo automobilio dizaino: gamintojas gali rinktis arba suteikti galimybę nuvažiuoti daug ilgesnį nuotolį, arba sumontuoti mažesnę (lengvesnę) bateriją, išlaikydamas panašų nuvažiuojamą atstumą kaip dabar. Bet kuriuo atveju, vartotojas laimės: arba reikės rečiau stoti įkrauti, arba automobilis taps pigesnis bei efektyvesnis su mažesne baterija.

Mažesniuose įrenginiuose – pavyzdžiui, išmaniuosiuose laikrodžiuose, bevielėse ausinėse – kietojo elektrolito baterijos taip pat duos apčiuopiamą efektą. 20–30 % didesnė talpa leis keliomis valandomis ilgiau klausytis muzikos ar naudotis laikrodžiu.

Greitesnis įkrovimas

Kietojo elektrolito baterijos potencialiai gali būti kraunamos greičiau nei šiuo metu įprastos ličio jonų baterijos. Pavyzdžiui, „Toyota“ skelbia, kad kietojo elektrolito baterijų dėka įkrovimo laikas nuo 10 % iki 80 % galėtų sutrumpėti nuo maždaug 30 minučių iki vos 10 minučių. „Samsung SDI“ prototipo atveju teigiama, jog 10–80 % įkrova gali trukti tik apie 9 minutes, lyginant su 45 minutėmis dabartinėms ličio jonų baterijoms. Minėta „Donut Lab“ baterija turėtų būti įkraunama (nuo 10 % iki 80 %) per mažiau nei 10 minučių. Kartu su naujaisiais MW galios elektromobilių krovimo standartais, elektromobilio baterijos įkrovos laikas galėtų sutrumpėti iki kelių minučių.

Didesnis saugumas ir terminis stabilumas

Tikėtina, kad kietojo elektrolito baterijos pasižymės didesniu saugumu ir terminiu stabilumu – tai viena svarbiausių priežasčių, kodėl naujo tipo baterijos laikomos pažangesnėmis. Skysti organiniai elektrolitai yra lakūs ir degūs – perkaitus ar sugedus baterijai kyla terminio suirimo (nekontroliuojamos grandininės reakcijos) rizika, dėl kurios baterija gali užsidegti. Tuo tarpu dauguma kietųjų elektrolitų yra nedegūs.

Tyrimai rodo, kad esant gedimui išsiskiriančios šilumos kiekis kietojo elektrolito baterijoje sudaro tik apie 20–30 % to, kas būtų įprastoje ličio polimerų baterijoje. Be to, kietojo elektrolito baterijoms nereikia tokios sudėtingos aušinimo ir apsaugos sistemos – sumažėja papildomų komponentų kiekis, o tai dar labiau pagerina energijos tankį baterijų paketo lygmenyje. Praktikoje tai reikštų saugesnius telefonus ir nešiojamuosius įrenginius (nebeliktų „Galaxy Note 7“ tipo incidentų), o elektromobiliuose – dar mažesnę gaisrų riziką avarijų metu ar per įkrovimą.

Ilgesnė tarnavimo trukmė

Kietojo elektrolito technologija žada ilgesnį baterijos gyvavimo laiką tiek ciklų skaičiaus, tiek kalendoriniu aspektu. Kadangi kietas elektrolitas chemiškai stabilesnis, tikimasi mažesnės degradacijos per įkrovimo ciklus (mažiau šalutinių reakcijų).

„Samsung“ teigia, kad jų eksperimentinis elementas išlaiko apie 90 % talpos po 2000 įkrovimo ciklų, t. y. gali tarnauti apie 20 metų naudojimo elektromobilyje. Palyginimui, dauguma šiandieninių ličio jonų baterijų elektromobiliuose po maždaug 1000 ciklų (tai atitinka apie 8–10 metų įprasto naudojimo) praranda iki 20 % talpos dalį.

Naujos dizaino galimybės

Kadangi kietojo elektrolito elementams nereikia standaus korpuso, kad sulaikytų lakų elektrolitą, ir juos galima daryti labai plonus, atsiranda daugiau laisvės kuriant baterijų formas. Plonos plėvelinės baterijos gali būti integruojamos į smulkius įrenginius ar net lanksčius elektronikos gaminius.

Pranešama, kad „Samsung“ kietojo elektrolito baterijas ketina pirmiausia išbandyti išmaniajame žiede „Galaxy Ring“ – mažame nešiojamame įrenginyje, kuriam reikalinga itin kompaktiška ir saugi baterija.

Kietosios baterijos gali būti formuojamos taip, kad atitiktų įvairesnes erdves įrenginio viduje, todėl ateityje galime sulaukti naujų formų elektronikos, kurios iki šiol ribojo baterijų gabaritai. Talpesnės miniatiūrinės baterijos reiškia realesnes galimybes nešiojamiems išmaniems įrenginiams (žiedams, akiniams ir kt.) labiau įsitvirtinti rinkoje.

Plėtrą stabdo gamybos sudėtingumas ir savikaina

Nors prototipai demonstruoja puikius rezultatus, perkelti šią technologiją į masinę gamybą yra itin sunku. Tenka spręsti daug medžiaginių ir inžinerinių problemų (užtikrinti jonų laidumą, stabilumą, ilgaamžiškumą). Dabartiniai gamybos procesai nėra pritaikyti kietojo elektrolito baterijoms. Ličio jonų baterijų pramonei jau 30 metų, o kietojo elektrolito elementams viskas prasideda nuo nulio. Tai reikalauja milžiniškų investicijų. Kol technologija nėra galutinai ištobulinta, kompanijos nesiryžta statyti brangių gamyklų – bijoma „prašauti“ pasirenkant netinkamą medžiagą ar dizainą.

Reikėtų stebėti minėtą „Donut Lab“ technologiją: jei visi įmonės teiginiai pasitvirtins, tai būtų didžiulis proveržis daugelyje sričių ir laimėjimas visai Europai.

Kaina taip pat glaudžiai susijusi su gamybos iššūkiais. Šiuo metu kietojo elektrolito akumuliatoriai kainuoja daug daugiau už analogiškos talpos ličio jonų, nes jų gamyba neefektyvi. Didelės kainos reiškia, kad kol kas būtų nuostolinga masiškai gaminti produktus su šiomis baterijomis – vartotojai tiesiog nesutiktų mokėti kelis kartus brangiau už telefoną vien dėl kiek geresnės baterijos.

Medžiagų tiekimas – dar viena kliūtis, kurią verta paminėti. Naujos kartos baterijoms gali prireikti kitokių žaliavų nei tradicinėms. Pavyzdžiui, sieros, indžio, galbūt daugiau ličio, sidabro (kaip anodo priedui). Reikės užtikrinti šių medžiagų tiekimo grandines. Vis dėlto, šis klausimas nėra neįveikiamas – daugelis kompanijų jau dirba su partneriais chemijos pramonėje, kad apsirūpintų reikalingais komponentais, kai tik technologija bus pasirengusi.

Kas laukia artimoje ateityje?

„Samsung“ yra viena iš kompanijų, aktyviai investuojančių į kietojo elektrolito baterijas. Remiantis viešais pranešimais, jau artimiausiu metu „Samsung“ planuoja pristatyti pirmą įrenginį su kietojo elektrolito baterija – minėtą „Galaxy Ring“. Vėliau planuojama tokią bateriją dėti į belaides ausines ir išmanųjį laikrodį (apie 2027 m.). Tik po to, jei technologija pasiteisins mažesniu mastu, ji būtų diegiama ir į telefonus.

Tačiau pirmasis elektrinis motociklas „Verge TS Pro“ su kietojo elektrolito baterija turėtų būti pristatytas pirkėjams jau per ateinantį mėnesį. Laukiama ir „Toyota“ ar kažkurio iš Kinijos gamintojo elektromobilio su tokia baterija.

Žiūrint retrospektyviai galima buvo išgirsti teiginių – „įsigysiu elektromobilį tik tada, kai jis įveiks 300 km viena įkrova“, kai tai tapo norma daugeliui elektromobilių nuo 2020-ųjų, tuomet teiginys pasikeitė į „įsigysiu elektromobilį tik tada, kai jis įveiks 1000 km viena įkrova“. Kietojo elektrolito akumuliatoriai leis pasiekti ir šią psichologinę ribą, o vidaus degimo variklius automobiliuose ateityje pavers nelogiška technologija.