Dlaczego stawiamy na baterie litowo-jonowe?

Niewykluczone, że za kilkanaście lat „elektryki” będą śmigać na bateriach umożliwiających zasięg tysięcy kilometrów a ich doładowanie do pełna będzie trwać dosłownie kilka minut. Ponadto te zbudowane z łatwo dostępnych materiałów akumulatory można będzie poddać pełnemu recyklingowi. Już teraz laboratoria na całym świecie testują koncepcje, które do niedawna wydawały się czystą teorią.
 
Pieniądze na badania płyną szerokim strumieniem, a rozwój baterii zapowiada się bardzo obiecująco. Zanim się zastanowimy, jakie rozwiązania magazynowania energii są najbliższe zastosowania w elektromobilności, powiedzmy sobie otwarcie: baterie litowo-jonowe są obecnie optymalnym rozwiązaniem.
 
Akumulatory litowo-jonowe – od prototypów do produkcji seryjnej
 
Wynalezienie akumulatora litowo-jonowego było prawdziwym przełomem. Pierwsze prototypy ogniw litowych powstawały już w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia. To właśnie wtedy Stanley Whittingham opracował baterię z litem metalicznym i siarczkiem tytanu. Technologia zastosowana w tym prototypowym urządzeniu wiązała się jednak ze zbyt dużym ryzykiem zapłonu. W 1980 r. John Goodenough zastosował katodę z tlenku litu i kobaltu a zamiast niestabilnego litu metalicznego użył bezpieczniejszej anody węglowej (grafitowej).
 
Pięć lat później Akira Yoshino skonstruował pierwsze w pełni funkcjonalne ogniwo litowo-jonowe z grafitowymi elektrodami. Wykorzystywało ono jony litu przemieszczające się między elektrodami podczas ładowania i rozładowania. Technologię tę skomercjalizowano w 1991 r. Początkowo przyjęła się w elektronice przenośnej, po 2000 r. w prototypach pojazdów elektrycznych.
 
Pierwszym seryjnie produkowanym samochodem elektrycznym na dużą skalę, wykorzystującym baterie litowo-jonowe był model Tesla Roadster z 2008 r., który osiągał zasięg powyżej 320 km, prędkość 201 km/h i przyspieszenie do 100 km/h w 3,9 sekundy. W 2019 r. wspomniani wyżej trzej twórcy baterii litowo-jonowych otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.
 
Czemu akumulatory litowe zawdzięczają swój sukces?
 
Ciągły rozwój tej technologii, m.in. chemii katod, przyczynił się do zwiększania zasięgów „elektryków” oraz skracania czasu ładowania. W pierwszych dwóch dekadach XXI w. osiągnięto wzrost gęstości energii akumulatorów litowo-jonowych ze 100 do ponad 250 Wh/kg, przy jednoczesnym – niemal dziesięciokrotnym – obniżeniu ich kosztu. Ponadto akumulatory litowo-jonowe oferują:

• niewielki efekt samorozładowania, 
• brak efektu pamięci,
• niewielką masę własną i kompaktowość,
• modułową budowę (pozwalająca na ich modyfikacje i rozbudowę). 

Czy baterie litowo-jonowe mają słabe strony?
 
Mimo wielu niewątpliwych zalet, baterie litowo-jonowe mają swoje słabe strony. Jednym z nich jest ich wrażliwość na przeładowanie i przegrzanie. Wiążę się z tym ryzyko tzw. ucieczki termicznej, która może prowadzić do zapłonu.
 
Właśnie dlatego baterie tego typu wyposaża się standardowo w coraz doskonalsze systemy BMS. Monitorują one stan baterii, zarządzają temperaturą i równomiernie rozkładają napięcie na poszczególne ogniwa w pakiecie, chronią przed przegrzaniem i przeładowaniem urządzenia. 
 
Do niedawna sceptycy tej technologii wskazywali również na wysokie ceny baterii litowych oraz problemy z ich recyklingiem. Do czasu. Od września ubiegłego roku mamy w Polsce własny ośrodek recyklingu baterii litowo-jonowych (w Zawierciu), który jest największym jak na razie obiektem tego typu w całej Europie.
 
Dlaczego stawiamy na baterie litowo-jonowe?
 
Jako przedstawiciel branży lekkich pojazdów elektrycznych wybieramy optymalne rozwiązania dostępne na rynku. Z myślą o naszych klientach przewidzieliśmy w naszej ofercie również produkcję akumulatorów litowo-jonowych na indywidualne zamówienie. W odróżnieniu od naszej konkurencji, stawiamy na personalizację produktu, zgodnie z potrzebami klienta, a nie tylko na produkcję seryjną.
 
W niedalekiej przyszłości planujemy wdrożenie modułu do zaawansowanej analizy stanu baterii w lekkich pojazdach elektrycznych. Dzięki tej technologii będziemy w stanie udzielić klientom nawet 5 lat gwarancji na sprzęt, o ile diagnostyka modułem wykaże prawidłową eksploatację.
 
Dlaczego baterie litowe są lepsze od ołowiowych?
 
W rodzącej się pod koniec XIX wieku motoryzacji, również elektromobilnej, dominowały akumulatory kwasowo-ołowiowe. W latach siedemdziesiątych XX wieku pojawiły się ich innowacje np. bezobsługowe akumulatory ołowiowe z matą szklaną absorbującą elektrolit (ang. Absorbent Glass Mat – AGM). Rozwiązania te zwiększyły bezpieczeństwo (brak wycieków kwasu) i odporność na wibracje czy głębokie rozładowania.
 
Obecnie stosuje się je głównie w rozrusznikach pojazdów spalinowych oraz w niskobudżetowych pojazdach elektrycznych, takich jak trójkołowce. Ich niewątpliwą zaletą jest stosunkowo łatwy i stuprocentowy recykling (łatwy do pozyskania ołów). Są za to podatne na zasiarczenie przy głębokim rozładowaniu i cechują się niższą gęstością energii (30-50 Wh/kg) w porównaniu z ich litowo-jonowymi odpowiednikami.
 
Próby zastąpienia ich akumulatorami nowszych technologii, z wykorzystaniem innego składu chemicznego (np. niklowo-kadmowych), na ogół nie znajdowały zastosowania w motoryzacji przed wynalezieniem baterii litowo-jonowych. Wyjątkiem były baterie niklowo-metalowo-wodorkowe, wykorzystywane w hybrydach i „elektrykach” na przełomie XX i XXI wieku.  

Baterie solid-state nadal za drogie
 
Jednym z najbardziej obiecujących kierunków w ewolucji akumulatorów są baterie ze stałym elektrolitem (ang. solid-state). W tego typu bateriach ciekły elektrolit zastępuje się materiałem stałym (ceramicznym lub polimerowym), co eliminuje ryzyko wycieku i zapłonu. Akumulatory solid-state umożliwiają również zastosowanie anody z metalicznego litu, co potencjalnie podniesie gęstość energii baterii o 50–80% względem obecnych litowo-jonowych.
 
Wyzwaniami dla baterii solid state są nadal trwałość cykliczna (problemy ze stabilnym kontaktem na granicy elektroda – elektrolit stały) oraz koszty produkcji na skalę masową. Jednak spodziewane zalety, takie jak większa pojemność, krótsze ładowanie i zwiększone bezpieczeństwo, motywują zespoły badawcze do dalszych prac nad ich rozwojem.
 
Baterie sodowo-jonowe już w produkcji seryjnej
 
Drugim istotnym trendem są chemie alternatywne. Największe szanse na zastosowanie w motoryzacji mają spośród nich akumulatory sodowo-jonowe, w których lit został zastąpiony tańszym i łatwiej dostępnym sodem. Ogniwa sodowe zachowują podobną konstrukcję do litowo-jonowych, ale obecna gęstość energii tych pierwszych jest niższa (ok. 160–170 Wh/kg). Bardzo obiecująca jest natomiast ich wydajność w skrajnych temperaturach, w których ich litowo-jonowe odpowiedniki zawodzą.
 
W ostatnich trzech latach chińskie firmy zaprezentowały pierwsze komercyjne baterie sodowo-jonowe do pojazdów. Dla przykładu: firma CATL uruchomiła produkcję ogniw sodowych (seria Naxtra), a HiNa Battery we współpracy z JAC i VW Anhui wprowadza baterie w tej technologii do niewielkich aut elektrycznych. Ogniwa ładują się do pełna w około 25 minut a wytrzymują ponad 8000 pełnych cykli, pracując w zakresie -40°C do +45°C. Ich aktualna gęstość energii zbliża się do 165 Wh/kg (czyli baterii litowo-jonowych z niższej półki). 
 
Przewiduje się, że akumulatory sodowo-jonowe nie zastąpią całkowicie litowych, ale mogą uzupełnić rynek; zwłaszcza tam, gdzie kluczowa jest cena i stabilność dostaw surowców.
 
Inne kierunki rozwoju baterii litowych
 
Kolejnym obszarem badań są nowe materiały elektrodowe dla akumulatorów litowych, pozwalające zwiększyć ich pojemność. Trwają prace nad anodami krzemowymi oraz nad katodami o wysokiej zawartości niklu i zerowej zawartości kobaltu, co zmniejszyłoby zależność od drogiego kobaltu. Ciekawym kierunkiem są akumulatory litowo-siarkowe, które wykorzystują tanią siarkę jako materiał katody oraz anodę litowo-metaliczną. Ich wysoka teoretyczna gęstość energii dochodzi nawet do 500 Wh/kg, lecz ich żywotność jest na razie zbyt krótka. 
 
Jeszcze bardziej futurystyczne są akumulatory litowo-powietrzne, gdzie katodą jest w zasadzie tlen z powietrza – co daje rekordową teoretyczną gęstość energii rzędu kilku tysięcy Wh/kg, porównywalną z benzyną. Niestety, kontrola reakcji chemicznych z udziałem tlenu i powstawania nadtlenków litu jest ogromnym wyzwaniem. Dlatego na ich zastosowanie w motoryzacji trzeba będzie pewnie długo poczekać.
 
Obiecujące są również prototypy baterii opartych na nanomateriałach grafenowych, zdolnych przyjąć bardzo duży prąd przy zachowaniu przyzwoitej pojemności (pełne naładowanie nawet w ciągu kilku minut). Niektóre z tych „grafenowych” rozwiązań to w istocie hybrydy baterii i superkondensatorów. Spekuluje się, że pojazdy z takimi akumulatorami na pokładzie byłyby w stanie osiągnąć zasięg do 800 km po kilkunastu sekundach ładowania, jednak na razie takie osiągi nie zostały potwierdzone w niezależnych testach.

Marek Marciniec  

Materiały źródłowe wykorzystane w opracowaniu: 
https://legal-planet.org/2024/08/15/battery-technology-and-evs-a-timeline
https://akumulatory24.waw.pl/historia-rozwoju-akumulatorow-samochodowych
https://www.fluxpower.com/blog/what-is-the-energy-density-of-a-lithium-ion-battery
https://szkolnecentrumrecyklingu.pl/2021/01/18/baterie-wczoraj-i-dzis
https://globenergia.pl/baterie-sodowo-jonowe-wchodza-na-salony-hina-prezentuje-rewolucyjne-ogniwa-do-aut-dostawczych