Motoryzacyjni giganci uczą się chemii. Pompują miliardy w stały elektrolit. Każdy chce być pierwszy [MOTO 2030]

Piotr Kozłowski
To co kompletnie odmieni świat motoryzacji, kryje się między katodą i anodą. Ci, którzy przekreślają samochody elektryczne, przestaną to robić, gdy rozpocznie się masowa produkcja akumulatorów ze stałym elektrolitem. A jest już na horyzoncie.

MOTO 2030 to copiątkowy cykl Gazeta.pl, w którym poruszamy najważniejsze tematy dotyczące przyszłości motoryzacji, transportu i technologii. Nie zabraknie tu także ciekawych historii konstruktorów oraz opisu dziejów firm, których przeszłość ma wpływ na to, jak będzie wyglądała motoryzacja przyszłości. Samochody, drogi i miasta na naszych oczach bardzo dynamicznie się zmieniają. Co piątek dziennikarze Moto.pl będą o tych zmianach pisać. Tutaj znajdują się wszystkie artykuły z cyklu MOTO 2030.

Mediana rocznego przebiegu samochodów w Polsce wynosi 10 tys. km rocznie. To informacja z raportu Głównego Urzędu Statystycznego pt. "Zużycie energii w gospodarstwach domowych". Statystyczny kierowca dziennie przejeżdża zatem 27 km. Mimo to, wśród najczęściej wymienianych wad samochodów elektrycznych, Polacy wymieniają m.in. ograniczony zasięg (badanie Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych), na jednym tchu dodając długi czas ładowania.

Producenci akumulatorów trakcyjnych (potocznie zwanych bateriami) potrafią już zaradzić pierwszemu problemowi, zwiększając ich pojemność. Niedawno zaprezentowany Mercedes EQS ma akumulator o pojemności netto do 107,8 kWh, który pozwala przejechać 770 km na jednym ładowaniu. To wartość imponująca i w tej chwili zarezerwowana tylko dla nielicznych, najdroższych samochodów elektrycznych. Jednak zasięgi rzędu 400 czy 500 km nie robią już na nikim wrażenia i są gwarantowane przez auta marek popularnych.

Problem w tym, że obecnie osiągamy już wyżyny gęstości energii w wykorzystywanych na masową skalę akumulatorach litowo-jonowych z płynnym elektrolitem. Upraszczając i obrazując, nie jesteśmy w stanie zmieścić znacząco większej ilości prądu w produkowanych dziś akumulatorach. Możemy jedynie montować coraz większe baterie w coraz większych samochodach.

Piotr Pawlak, prezes Ford PolskaPiotr Pawlak, Ford Polska. "Elektromobilność w Polsce może bardzo przyspieszyć. To kwestia dwóch decyzji" [MOTO 2030]

W ten sposób samochody elektryczne będą miały większy zasięg. Jednak nie za darmo. Większe akumulatory to większa masa i dłuższy czas ładowania. Oczywiście możemy skracać ten czas, opracowując stacje ładowania o większej mocy, ale akumulatory wolą powolne ładowanie, które przedłuża ich żywot, bo znacznie obniża degradację takich ogniw.

Nie odkrywamy Ameryki. Producenci akumulatorów i samochodów doskonale wiedzą, że rozwiązania, które sprawdzają się w laptopach i smartfonach (one również wykorzystują klasyczne akumulatory litowo-jonowe) na dłuższą metę nie zdadzą egzaminu w samochodach. Trzeba opracować coś nowego, bo nie ma już odwrotu od samochodów elektrycznych.

Spalanie paliw kopalnych zawsze będzie emitować gazy cieplarniane, a produkcję energii da się przestawić na odnawialne tory. To proces długi i kosztowny, ale możliwy. Jest wręcz przymusowy, jeśli chcemy ograniczyć skutki ocieplenia klimatu. Im szybciej zaczniemy, tym szybciej osiągniemy cel.

Studyjna elektryczna Toyota bZ4X ConceptStudyjna elektryczna Toyota bZ4X Concept fot. Toyota

Jak działają baterie ze stałym elektrolitem?

Akumulatory, które za kilka lat odmienią opinie na temat samochodów elektrycznych, opierają się na stałym elektrolicie, który zastępuje stosowane obecnie w bateriach litowo-jonowych elektrolit płynny lub żel polimerowy. Zasada działania obu rodzajów ogniw jest z grubsza taka sama.

Katoda i anoda są oddzielone elektrolitem, przez który przenikają naładowane jony.  Na anodzie dochodzi do procesu utleniania, w którym uwalniane są elektrony. Ich ruch powoduje powstawanie prądu.

Baterie ze stałym elektrolitem mogą mieć od dwóch do ośmiu razy większą gęstość energii niż zwykłe baterie litowo-jonowe. Jednocześnie ryzyko zapłonu jest w ich przypadku dużo niższe. Dzięki temu wymagają mniej zabezpieczeń, co pozwala uwolnić miejsce dla większej liczby ogniw w obudowie tej samej wielkości.

Pierwsza opona z indeksem HL (High Load) do samochodów elektrycznychDariusz Wójcik: "W 2030 roku w Polsce może być 1,6 mln samochodów elektrycznych" [MOTO 2030]

Kolejną zaletą jest to, że nowy typ akumulatorów generuje o 70-80 proc. mniej ciepła niż standardowe ogniwa. W jego konstrukcji udało się także uniknąć toksycznych substancji, które są stosowane obecnie. Szybsze ładowanie, większa żywotność i wyższe napięcie to kolejne korzyści. Ale jeszcze nie dziś.

Akumulator litowo-jonowyAkumulator litowo-jonowy fot. Toyota

Na rozwiązania dla konsumentów potrzeba więcej czasu

Baterie ze stałym elektrolitem to bardzo obiecująca technologia, ale jej obecne stadium rozwoju nie pozwala na uruchomienie masowej produkcji od razu. Naukowcy muszą uporać się jeszcze z ostatnimi problemami, typowymi dla wczesnych technologii.

Pierwszym z nich jest koszt produkcji. Drugą kwestią jest mała odporność na niskie temperatury. Do niedawna trzecim głównym problemem była utrata pojemności z powodu tworzenia się dendrytów. Zauważono, że podczas ładowania i rozładowywania baterie ze stałym elektrolitem mają tendencję do tego, by na anodzie podczas ładowania powstawały struktury przypominające igły. Z czasem dendryty stają się coraz większe i uszkadzają baterię. Na szczęście rozwiązanie tego problemu zostało opracowane przez naukowców w 2018 r.

Jeep Cherokee XJSUV królem wszystkich aut. Skąd się wzięły i dokąd zmierzają? [MOTO 2030]

Baterie ze stałym elektrolitem wyprą klasyczne akumulatory litowo-jonowe

Nad bateriami ze stałym elektrolitem pracuje wiele ośrodków naukowych oraz firm – zarówno z branży motoryzacyjnej, jak i technologicznej. Analitycy oceniają, że nowy rodzaj akumulatorów zdominuje rynek w ciągu pięciu lat.

Podczas marcowego Power Day zorganizowanego przez Volkswagena Herbert Diess mówił o planach i ogromnych inwestycjach mających przyspieszyć masową produkcję akumulatorów ze stałym elektrolitem. Szef niemieckiej grupy, wymieniając zalety tych baterii, podkreślał nie tylko ich krótszy czas ładowania, większą gęstość energii i gwarantowane przez nie większe zasięgi samochodów elektrycznych, ale też docelowe obniżenie kosztu produkcji akumulatorów nawet o połowę.

Na zapewnieniach się nie skończyło. W ostatnich miesiącach Volkswagen zainwestował 200 mln dolarów w amerykańską firmę QuantumScape, specjalizującą się w produkcji akumulatorów ze stałym elektrolitem. Ma to przyspieszyć prace prowadzące do uruchomienia masowej produkcji.

Audi e-tron GTDźwięki ciszy. Po co sztuczne brzmienie silnika w elektrycznym samochodzie? [MOTO 2030]

Inni producenci też nie tracą czasu. Toyota, słynąca głównie z napędów hybrydowych oraz rozwoju ogniw wodorowych, również inwestuje w baterie ze stałym elektrolitem. Japończycy chwalą się, że opracowali już akumulator, który zapewnia zasięg do 500 km, a czas potrzebny na jego naładowanie od 0 do 100 proc. to 10 minut.

Nowe baterie Toyoty mają zapewniać dwa razy większy zasięg w porównaniu z tradycyjną baterią litowo-jonową o tej samej wielkości. Jeszcze w 2021 roku Japończycy pokażą prototyp samochodu wyposażony w akumulator ze stałym elektrolitem. Wersja produkcyjna ma zostać zaprezentowana w 2023 lub 2024 r.

Koncepcyjny Volkswagen ID. ROOMZZKoncepcyjny Volkswagen ID. ROOMZZ fot. VW

Akumulatory ze stałym elektrolitem. Co na to Tesla?

Startup Elona Muska jest w tej chwili największym klientem na akumulatory litowo-jonowe na świecie, dlatego warto znać zdanie przedstawicieli Tesli. J.B. Straubel gdy był dyrektorem technicznym tej firmy na temat akumulatorów ze stałym elektrolitem wypowiadał się w sposób ostrożnie optymistyczny. Gene Berdichevsky były inżynier tej firmy, który opracował zasilanie do pierwszego Roadstera uważa tę technologię za "fałszywą nadzieję".

Berdichevsky sądzi, że jest za wcześnie żeby o niej mówić, bo to technologia eksperymentalna i na drodze do komercjalizacji stoi zbyt wiele problemów. Niektóre są w tej chwili nie do przezwyciężenia. Elon Musk zwykle się irytuje gdy go o to pytać. Gdyby było warto inwestować w stały elektrolit, Tesla już by tak robiła.

Zamiast tego firma próbuje wycisnąć maksymalnie dużo z aktualnie używanych akumulatorów, między innymi zmieniając konstrukcję ogniw i zwiększając udział wysokoenergetycznego krzemu w anodzie ogniwa. Elon Musk uważa, że kluczem do sukcesu w najbliższych latach jest przede wszystkim obniżanie kosztu produkcji akumulatorów, a nie wprowadzanie zupełnie nowej i bardzo drogiej technologii.

Henrik FiskerHenrik Fisker i Ocean. Duńczyk chce wywrócić rynek motoryzacyjny do góry nogami [MOTO 2030]

Stały elektrolit. Zwycięstwo może być spektakularne. Klęska będzie sromotna

Kto będzie miał rację? Nie wiadomo, ale tę wojnę może wygrać tylko jedna strona. Omijając temat baterii ze stałym elektrolitem Tesla może zwiększać istniejącą przewagę nad konkurencją i zdobywać coraz większy udział w rynku albo ponieść porażkę, jeśli eksperymenty rywali zakończą się sukcesem.

Jakie z tego warto wyciągnąć wnioski? Przewidywanie kierunku rozwoju postępu technicznego jest karkołomnym zadaniem. Ale patrzenie na ewolucję motoryzacji w prosty sposób polegający wyłącznie na krokowym zwiększaniu się wydajności istniejących rozwiązań, często bywa błędem. Techniczne rewolucje często dokonywały się dzięki wprowadzaniu na rynek zupełnie nowych, przełomowych technologii.

Dzięki akumulatorom ze stałym elektrolitem popularność samochodów elektrycznych może nagle zacząć rosnąć wykładniczo. Wtedy wszystkie dotychczasowe prognozy wezmą w łeb. Kolejny przełom w świecie motoryzacji może być bliżej, niż nam się wydaje.

Energię elektryczną da się czerpać ze środowiska bez jego niszczeniaEnergię elektryczną da się czerpać ze środowiska bez jego niszczenia fot. VW

Więcej o: