Przegapiliśmy rewolucję, ale wkrótce trudno będzie jej nie zauważyć [MOTO 2030]

Łukasz Kifer
Ostatnia dekada to pełzająca rewolucja w świecie samochodowych akumulatorów. Następna może być prawdziwym przełomem w tej dziedzinie. To od nich zależy przyszłość motoryzacji, bo samochody to baterie na kołach.

MOTO 2030 to piątkowy 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.

Specjaliści od samochodów elektrycznych twierdzą, że trzeba na nie patrzeć w zupełnie inny sposób: nie jak auta zbudowane z szeregu podzespołów, tylko jak "baterie na kołach". Z kilku powodów. Po pierwsze, samochodowe akumulatory mogą pełnić różne funkcje, np. stworzyć rozproszony bank energii. Po drugie i ważniejsze, akumulatory trakcyjne to element, który ma kardynalny wpływ na najważniejsze cechy elektryków: ich wydajność i cenę.

Samochody elektryczne są drogie, bo nowoczesne akumulatory kosztują bardzo dużo. Pozostałe elementy napędu są dużo prostsze i tańsze niż w przypadku aut ze spalinowym silnikiem. Napędy hybrydowe są jeszcze bardziej skomplikowane.

Na szczęście ogniwa galwaniczne, a konkretnie akumulatory, przez ostatnie dziesięć lat, mimo błędnego przekonania części kierowców o zastoju w tej branży, przeszły długą drogę. W nadchodzącej dekadzie zamiast pełzającej rewolucji, która się właśnie dokonuje, może nastąpić przełom. To dlatego, że w ciągu ostatnich lat koncerny samochodowe, energetyczne oraz chemiczne zainwestowały w ich rozwój więcej, niż przez poprzednie stulecie. Chodzi o dziesiątki, jeśli nie setki miliardów dolarów.

Jak zmieniły się ich parametry w ciągu dekady?

Niemal wszyscy narzekają, że auta elektryczne technicznie niewiele zmieniły się od początku ich produkcji, czyli co najmniej 120 lat. To prawda tylko jeśli chodzi o ogólną zasadę działania. Wydajność elektryków bardzo wzrosła w ciągu ostatniej dekady.

La Jamais Contente (Wiecznie niezadowolona) z 1899 r. Samochód elektryczny Camille'a Jenatzy'ego, który pierwszy pokonał barierę 100 km/hLa Jamais Contente (Wiecznie niezadowolona) z 1899 r. Samochód elektryczny Camille'a Jenatzy'ego, który pierwszy pokonał barierę 100 km/h fot. domena publiczna/wikimedia commons

Według danych McKinsey w 2010 r. średni koszt 1 kWh w akumulatorze trakcyjnym (czyli tym, który dostarcza energię niezbędną do jazdy) samochodu elektrycznego wynosił około 1000 dolarów. W chińskich autobusach z 2021 roku były już akumulatory o koszcie 1 kWh poniżej 100 dolarów. W najbardziej wydajnych osobowych elektrykach koszt 1 kWh to około 130 dolarów.

To znaczy, że przez mniej więcej dziesięć lat cena jednostkowa spadła dziesięciokrotnie. To tylko jeden z wielu parametrów wskazujących na olbrzymi postęp w dziedzinie ogniw galwanicznych w ostatnich latach. Poprawiła się także ich pojemność grawimetryczna (stosunek pojemności akumulatora do jego masy) oraz wolumetryczna (stosunek pojemności do objętości).

Inaczej mówiąc, akumulatory magazynujące taką samą ilość energii stają się mniejsze i lżejsze. To jest równie ważne jak cena, bo sprawia, że nieduże auta mają coraz większy zasięg i są lżejsze.

Jak wyglądają samochodowe akumulatory? To moduły, pakiety i ogniwa

Schemat konstrukcji akumulatorów trakcyjnych w aucie jest następujący: najmniejsze elementy to ogniwa, które są połączone w pakiety, a z kolei te w moduły. Samochód elektryczny może mieć jeden lub kilka takich modułów umieszczonych w podwoziu.

Pakiety są połączonymi zestawami cylindrycznych ogniw, które wyglądają jak baterie paluszki, tylko są znacznie większe. Do niedawna najpopularniejsze były ogniwa 1865. Nazwa pochodzi od ich rozmiarów: 18 mm średnicy i 65 mm długości.

Znają je użytkownicy mocnych latarek i pracownicy serwisów komputerowych, bo właśnie z nich są skonstruowane akumulatory laptopów. Z samochodów powoli wypierają je większe ogniwa 2170, a w 2020 r. roku Tesla w czasie wrześniowej konferencji Battery Day zaprezentowała jeszcze większe cylindry 4680.

Dzięki ich rozmiarom oraz różnym sprytnym rozwiązaniom pojemność wzrosła prawie pięciokrotnie, co pozwoliło upakować więcej energii w takich samych pakietach i modułach. Ich jednostkowa cena za kWh jest też niższa od wcześniej stosowanych ogniw.

Ich konstrukcja, tak jak wszystkich akumulatorów samochodowych, opiera się na chemii litowo-jonowej (elektrolitem jest ciecz zawierająca sole litowe). Nowe ogniwa 4860 ma produkować dla Tesli japoński Panasonic, który obok LG i CATL jest jednym z partnerów amerykańskiego producenta.

Tesle już wkrótce będą miały ogniwa 4680Tesle już wkrótce będą miały ogniwa 4680 fot. Tesla

Co będzie dalej? Więcej prądu i nowe technologie

Z jednej strony na pewno będzie rosła pojemność grawimetryczna i wolumetryczna samochodowych akumulatorów. Aktualne akumulatory mieszczą około 260 Wh/kg. Wiele firm na czele z Teslą twierdzi, że wkrótce przekroczy 400 Wh/kg.

Są na to różne sposoby. Jednym z nich jest integracja akumulatorów z elementami podwozia. Obudowy modułów stają się częścią konstrukcji nośnej, co obniża masę własną samochodu, ale jednocześnie utrudnia naprawy blacharskie oraz ewentualną wymianę akumulatorów.

Drugim jest wprowadzanie nowych technologii. Izraelski startup StoreDot twierdzi, że opracował rewolucyjną anodę, w której zamiast grafitu używa krzemu, co pozwala na zwiększenie pojemności i stabilne szybkie ładowanie. Akumulatory XFC o poj. 100 kWh podobno będzie można naładować w dziesięć minut, pod warunkiem, że powstaną stacje o wystarczająco wysokiej mocy. Żeby spełnić obietnicę, musi być wyższa niż 600 kW. W tej chwili najpotężniejsze dostępne stanowiska mają nominalną moc 350 kW.

Na stały elektrolit musimy jeszcze trochę poczekać

Są też firmy, które już chwalą się przełamaniem bariery 400 Wh/kg (ONE — Our Next Energy), obniżeniem kosztu o 25 proc. dzięki eliminacji drogiego kobaltu i niklu z katody (Conamix zastępuje go siarką). Coraz więcej startupów (ABEE, Unigrid) oraz koncernów (Toyota, Volkswagen z QuantumScape, Shell) informuje, że osiągają obiecujące wyniki testów mitycznych akumulatorów ze stałym elektrolitem.

Toyota twierdzi, że w 2025 r. wprowadzi do sprzedaży auta z akumulatorami ze stałym elektrolitemToyota twierdzi, że w 2025 r. wprowadzi do sprzedaży auta z akumulatorami ze stałym elektrolitem fot. Toyota

W teorii takie rozwiązanie ma mnóstwo zalet: bardzo szybkie ładowanie (nawet w 5-10 min), zwiększony zasięg lub zmniejszona masa auta (wybierz jedną cechę), minimalne starzenie się i brak fluktuacji pojemności w zależności od temperatury zewnętrznej. Wysiłki wymienionych firm wspierają również giganci z rynku akumulatorów: LG Energy Solution, Samsung, Panasonic, SK Innovation, CATL.

Oczywiście na drodze do produkcji akumulatorów ze stałym elektrolitem stoi jeszcze wiele przeszkód. Na razie takie ogniwa są bardzo delikatne, a na anodach tworzą się dendryty. Jeśli firma chwali się rewolucyjnym wynalazkiem, zawsze trzeba spytać jej przedstawicieli: ile kosztuje i czy jest możliwe wdrożenie go do produkcji masowej? Drogie innowacje pozostają jedynie ciekawostką. Nie spodziewam się ujrzenia produkcyjnego samochodu z takim rozwiązaniem przed 2025 rokiem, chociaż chiński NIO obiecuje go już w 2022 r.

Co jest ważniejsze? Lepsze, czy tańsze baterie?

Z drugiej strony będzie spadał koszt 1 kWh energii elektrycznej w akumulatorach. Pozwolą na to nowe rozwiązania. Jednym z nich jest stosowanie katod LFP zamiast droższych, NCA i najdroższych NCMA. Wadą takiego rozwiązania jest spadek pojemności, co jest przeciwieństwem starań opisanych w punkcie pierwszym. Za to trzeba pamiętać, że katoda jest najdroższym elementem ogniwa, często stanowi ponad połowę jego wartości.

Można się zastanowić, co jest bardziej istotne: zaawansowane technologie, czy niższy koszt? Elon Musk uważa, że nie ma sensu wprowadzać kosztownych rozwiązań, bo to nie pomoże spopularyzować elektryków na świecie. Trzeba obniżać ich cenę.

 

Jeszcze niedawno analitycy Wood Mackenzie i BloombergNEF uważali, że przełomem będzie cena 100 $/kWh. Prorokowali, że osiągniemy ją do 2024 roku, tymczasem już jest w zasięgu. Teraz Elon Musk oraz inni specjaliści uważają, że konkurencyjna jest dopiero cena w okolicach 60 dolarów za 1 kWh energii w akumulatorze.

Wówczas całkowity koszt eksploatacji samochodu elektrycznego zrówna się ze spalinowymi. Wtedy elektryki zaczną się naprawdę dobrze sprzedawać, bo pomimo wad mają niezaprzeczalne zalety. Później, wraz z rosnącą skalą produkcji będzie coraz więcej funduszy na popularyzowanie następnych innowacji, które wyeliminują słabe strony.

Gdy świat motoryzacji osiągnie jedno i drugie — poprawi kluczowe parametry akumulatorów i obniży ich cenę — samochody spalinowe znikną z salonów sprzedaży w krajach rozwiniętych w ciągu kilku lat. Nie będzie żadnego argumentu, żeby je kupować.

Na pewno nie stanie się to bardzo szybko, ani nie to będzie proste, a przede wszystkim wymaga klasycznego triumwiratu prywatnego biznesu ze środowiskami naukowymi i rządami państw. Bez początkowych rządowych dotacji firmy nie mają wystarczającej komercyjnej zachęty. Koszty R&D są niewspółmiernie wysokie w porównaniu do prognozowanych zarobków.

Trzeba im pomóc złapać wiatr w żagle, finalnie wszystkim się to opłaci. Zwłaszcza że na postęp w dziedzinie ogniw galwanicznych czeka nie tylko przemysł motoryzacyjny, ale również energetyczny i elektroniczny. Potencjalnie to oznacza olbrzymie zyski.

Popularne baterie to klucz do sukcesu aut na prąd, bo rzeczywiście są akumulatorami na kołach. Kiedy producentom uda się go zdobyć, świat będzie mógł zająć się pozostałymi problemami: degradacją i skutecznym recyklingiem ogniw, całkowitą eliminacją drogich lub rzadkich pierwiastków z ich składu (kobaltu, niklu, manganu i litu), obniżeniem emisji CO2 w procesie produkcji baterii oraz wytworzeniem odpowiedniej ilości zielonej energii dla tych wszystkich elektryków. Ale to zupełnie inna historia.

Elektryczny hipersamochód Automobili Estrema FulmineaElektryczny hipersamochód Automobili Estrema Fulminea fot. Automobili Estrema

Więcej o:
Copyright © Gazeta.pl sp. z o.o.