Zašto su solid-state baterije za električne automobile bolje od svojih litijum-jonskih kolega?

Veliki dio tehnologije oko nas uzimamo zdravo za gotovo. Na primjer, mikroračunari za telefone koji rade bez punjenja cijeli dan. Ali želim da telefon radi 3-4 dana bez dopunjavanja. Ili električni automobil koji može preći 1000 kilometara, napuniti se za nekoliko minuta... i košta manje od automobila s benzinskim motorom. Godinama se mnogo pričalo o solid-state baterijama, ali kako stvari idu sada? I koliko još treba da čekamo čvrste baterije završiti unutar naših uređaja?

Najnoviji primjer je Toyota, koja je tokom Zimskih olimpijskih igara najavila automobil sa solid-state baterijom. Litijum-jonske baterije koje danas koristimo, koliko god da jesu, imaju određene nedostatke koje solid-state baterije pokušavaju da reše.

Šta im je zajedničko?

Oba tipa koriste litijum za proizvodnju električne energije i njihova je opšta struktura prilično slična. Jednostavno rečeno, imaju anodu (negativna elektroda), katodu (pozitivna elektroda) i elektrolit.

Njihova glavna razlika leži u stanju elektrolita, koji pomaže u prijenosu jona s katode na anodu tijekom punjenja i obrnuto tijekom pražnjenja. Drugim riječima, elektrolit regulira protok električne struje između negativne i pozitivne strane baterije. Dok litijum-jonske baterije koriste tekuće elektrolite, solid-state baterije, kao što im ime govori, koriste tanke slojeve čvrstog elektrolita.

Zašto je ovo važno?

Čvrsti elektroliti imaju niz značajnih prednosti:

1. Sigurnost: strkiseli elektroliti volatile i lako se zapali na visokim temperaturama. Za razliku od njih, čvrsti elektroliti su stabilniji i smanjuju rizik od požara ili eksplozije.
2. Više gustina energije i brže vreme punjenja: strpovećana stabilnost znači da solid-state baterije mogu pohraniti 50% više energije od svojih litijum-jonskih kolega, dok se očekuje da će dostići 80% napunjenosti u roku od 12 minuta.

Na lijevoj strani vidimo strukturu litijum-jonske baterije, a na desnoj strukturi solid-state baterije.

3. Manja težina i veličina: Dok tečnost u litijum-jonskim baterijama čini ih težim, kompaktna struktura solid-state baterija omogućava veću gustinu energije po jedinici površine, što znači da je potrebno manje baterija.

Hoće li solid-state baterije zamijeniti litijum-jonske baterije?

U teoriji, da, ili barem tamo stvari idu. U stvari, mnogi proizvođači automobila već ulažu u ovu tehnologiju, uključujući Volkswagen, Toyotu, Ford i BMW. Međutim, u praksi se ćelije solid-state baterija proizvode jedna po jedna u laboratorijama, a da bi se dovele do masovne proizvodnje - skup i još nedovoljno razrađen zadatak.

Teško je razviti čvrsti elektrolit koji bi bio i stabilan, hemijski inertan i dobar provodnik jona između elektroda. Osim toga, elektroliti su preskupi za proizvodnju i skloni su pucanju zbog svoje krhkosti kada se ekspandiraju i sabijaju tijekom upotrebe. Ali možda će se to dogoditi kako litijum-jonske baterije budu postepeno postale pristupačnije.

Koje studije su već urađene?

Posljednjih godina provedena su mnoga zanimljiva istraživanja koja su imala za cilj rješavanje ovog problema. Istraživači sa MIT-a razvili su takozvane mješovite provodnike jona i elektrona (MIEC), kao i elektronske i litijum-jonske izolatore (ELI). To je trodimenzionalna ćelijska arhitektura sa MIEC cijevima na nanoskali. Cijevi su napunjene litijumom, koji čini anodu. Ključni dio ovog otkrića je da ćelijska struktura omogućava prostor litiju da se širi i skuplja tokom punjenja i pražnjenja. Ovo "disanje" baterije sprečava pucanje. Obloga ELI cijevi djeluje kao barijera koja ih štiti od čvrstog elektrolita. Ovo je struktura solid-state baterije, koja nas štedi od potrebe za dodavanjem bilo kakve tekućine ili gela, i stoga nam omogućava da izbjegnemo dendrite.

Zvala je kompanija Sistemi za skladištenje jona razvio ultratanki keramički elektrolit debljine oko 10 mikrometara, otprilike iste debljine kao moderni plastični separatori koji koriste tekuće elektrolite. Svaka strana keramičkog elektrolita obložena je super tankim slojem aluminij oksida koji pomaže u smanjenju otpora. Prototip baterije ima energetski kapacitet od oko 300 Wh/kg i može se napuniti za 5-10 minuta. Poređenja radi: moderne NCA baterije postižu energetski kapacitet od oko 250 Wh/kg.

Na izložbi CES Mecedes je ove godine predstavio konceptni automobil AVTR, napravljen od ekološki prihvatljivih materijala, koji također ima bateriju koja se može u potpunosti reciklirati. U jednom intervjuu, Mercedesov viši menadžer za istraživanje baterija Andreas Hintennach izjavio je da je tehnologija baterija trenutno u laboratorijskom testiranju i da će biti spremna za 10-15 godina. CATL (Teslin kineski partner za baterije) je također razvio uzorak solid-state baterije, ali su izvijestili da će se pojaviti na tržištu tek 2030. godine.

Očekuje se kontinuirana proizvodnja solid-state baterija će biti popravljeno od 2025. godine, ali u početku ne u automobilskoj industriji.

Pročitajte također:

• Velika baterija i brzo punjenje još ne mogu koegzistirati
• Razvijen je novi tip brzog punjenja: litijumske baterije će se napuniti za 10 minuta