Įsivaizduokite išmanųjį telefoną, kurio baterija veikia dvigubai ilgiau, arba elektromobilį, galintį vienu įkrovimu nuvažiuoti 600 km ir įkraunamą per kelias minutes. Būtent tokios pažangos tikimasi, pradėjus plačiai naudoti kietojo elektrolito baterijas (angl. solid-state batteries) – naujos kartos energijos kaupiklius, jau kelerius metus traukiančius didžiulį mokslininkų ir pramonės dėmesį.
Iš pirmo žvilgsnio ši technologija galėtų atrodyti tik „popierinis“ produktas (angl. vaporware) – panašiai kaip komercinė sintezės energetika ar masiškai paplitęs vandenilinis transportas. Vis dėlto nuolatiniai tyrimai ir vis tobulesni prototipai rodo, kad kietojo elektrolito baterijų proveržis gali įvykti jau artimiausiais metais.
Visai neseniai Suomijos bendrovė „Donut Lab“ kartu su elektrinių motociklų gamintoja „Verge“ pristatė pirmąją pasaulyje elektrinę transporto priemonę – motociklą „Verge TS Pro“ su kietojo elektrolito baterija. Skelbiama, kad šis motociklas vienu įkrovimu gali nuvažiuoti 600 km, o baterija nuo 10 % iki 80 % įkraunama per mažiau nei 10 minučių, naudojant 200 kW galią.
Kas yra kietojo elektrolito baterijos?
Kietojo elektrolito baterija – tai elektros energijos kaupiklis, kuriame jonų pernašai tarp teigiamo ir neigiamo elektrodo naudojamas ne skystas ar gelinis, o kietas elektrolitas. Bendra sandara panaši į tradicinę ličio jonų bateriją – yra du elektrodai (anodas ir katodas) ir juos skiriantis elektrolitas, tik visos dalys yra kietos fazės.
Įkrovimo ir iškrovimo principas taip pat iš esmės toks pat: kraunant ličio jonai migruoja per elektrolitą iš katodo į anodą, o iškraunant – grįžta atgal į katodą. Skirtumas tas, kad ši jonų migracija vyksta per kietą terpę. Dažniausiai naudojami keraminiai, stikliniai arba kieti polimeriniai elektrolitai, pakeičiantys įprastą skystą organinį tirpalą.
Skirtingai nuo skystojo elektrolito baterijų, kietojo būvio akumuliatoriuose pats elektrolitas kartu atlieka ir atskyriklio (separatoriaus) funkciją – jis fiziškai izoliuoja elektrodus, neleisdamas jiems susiliesti, tačiau praleidžia ličio jonus. Dėl to teoriškai galima pasiekti gerokai didesnį energijos tankį nei standartiniuose ličio jonų elementuose.
Prognozuojama, kad kietojo elektrolito baterijos leis reikšmingai patobulinti daugelį dabartinių ličio jonų baterijų charakteristikų. Lietuvos energetikos agentūros duomenimis, tokie akumuliatoriai pasižymi didesniu energijos tankiu, aukštesniu saugumo lygiu ir ilgesne eksploatavimo trukme, nors iki plataus komercinio pritaikymo dar reikia laiko.
Didžiausi privalumai
Vienas svarbiausių kietojo elektrolito baterijų privalumų – galimybė naudoti metalinio ličio anodą ir atsisakyti masyvių grafito elektrodų bei skysto elektrolito. Tai leidžia teoriškai sukaupti daugiau energijos tiek tūrio, tiek masės vienetui.
Jau sukurti prototipiniai elementai, kurių energijos tankis siekia apie 500 Wh/kg – tai maždaug dvigubai daugiau nei klasikinių ličio jonų baterijų. Toks pagerėjimas elektromobiliui leistų nuvažiuoti beveik 70 % didesnį atstumą: vietoje 300 km – apie 500–600 km.
Eksperimentinės kietojo elektrolito baterijos jau pasiekė 350–500 Wh/kg energijos tankį, kai daugumos dabartinių ličio jonų baterijų energijos tankis siekia apie 300 Wh/kg. Taigi į tokios pat masės bateriją būtų galima „sutalpinti“ gerokai daugiau energijos.
Prognozuojama, kad pirmieji komerciniai sprendimai leis padidinti įrenginių baterijų talpą bent 20–30 %, palyginti su analogiško dydžio ličio jonų baterijomis. Tai reikštų, kad, pavyzdžiui, išmanusis telefonas, šiandien įprasto naudojimo režimu veikiantis apie 24 valandas, su naujo tipo baterija galėtų veikti 30 valandų ar ilgiau.
Elektromobiliuose kietojo elektrolito technologija tiesiogiai reikštų didesnį nuvažiuojamą atstumą. „Toyota“ skaičiavimais, vien perėjus prie kietojo elektrolito elementų elektromobilių nuotolis gali padidėti apie 70 %. „Samsung“ kartu su partneriais skelbia pasiekę 500 Wh/kg energijos tankį, kuris, jų vertinimu, leistų elektromobiliui su pilna įkrova nuvažiuoti apie 950 km.
Žinoma, konkretus prieaugis priklausys nuo automobilio konstrukcijos ir gamintojo pasirinkimų: jis gali rinktis suteikti galimybę nuvažiuoti gerokai ilgesnį atstumą arba sumontuoti mažesnę (lengvesnę) bateriją, išlaikydamas dabartinį nuotolį. Bet kuriuo atveju vartotojas laimės: arba reikės rečiau stoti įkrovimui, arba automobilis taps pigesnis ir efektyvesnis dėl mažesnės baterijos.
Mažesniuose įrenginiuose – išmaniuosiuose laikrodžiuose, belaidėse ausinėse ir pan. – 20–30 % didesnė talpa taip pat duos apčiuopiamą efektą: bus galima keliomis valandomis ilgiau klausytis muzikos ar naudotis laikrodžiu.
Greitesnis įkrovimas
Kietojo elektrolito baterijos potencialiai gali būti kraunamos greičiau nei įprastos ličio jonų baterijos. „Toyota“ duomenimis, dėl šios technologijos įkrovimo laikas nuo 10 % iki 80 % galėtų sutrumpėti nuo maždaug 30 minučių iki vos 10 minučių.
„Samsung SDI“ prototipo atveju teigiama, kad įkrovimas nuo 10 % iki 80 % gali trukti tik apie 9 minutes, kai dabartinėms ličio jonų baterijoms tam dažnai reikia apie 45 minutes. Minėta „Donut Lab“ baterija taip pat turėtų būti įkraunama nuo 10 % iki 80 % per mažiau nei 10 minučių.
Derinant šias baterijas su naujos kartos didelės, megavatų galios, elektromobilių įkrovimo standartais, elektromobilio baterijos įkrovimo laikas realiai galėtų sutrumpėti iki kelių minučių.
Didesnis saugumas ir terminis stabilumas
Manytina, kad kietojo elektrolito baterijos bus saugesnės ir termiškai stabilesnės – tai viena svarbiausių priežasčių, kodėl jos laikomos pažangesnėmis. Skysti organiniai elektrolitai, naudojami daugelyje dabartinių baterijų, yra lakūs ir degūs: perkaitus ar sugedus baterijai kyla nekontroliuojamos terminės 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, todėl sumažėja papildomų komponentų kiekis ir dar labiau pagerėja energijos tankis baterijų paketo lygmeniu.
Praktiškai tai reikštų saugesnius telefonus ir nešiojamuosius įrenginius (nebebūtų „Galaxy Note 7“ tipo incidentų), o elektromobiliams – dar mažesnę gaisrų riziką tiek avarijų metu, tiek įkrovimo proceso metu.
Ilgesnė tarnavimo trukmė
Kietojo elektrolito technologija žada ilgesnį baterijos gyvavimo laiką tiek ciklų skaičiaus, tiek kalendoriniu požiūriu. Kadangi kietas elektrolitas paprastai yra chemiškai stabilesnis, tikimasi mažesnės degradacijos per įkrovimo ir iškrovimo ciklus – vyksta mažiau nepageidaujamų šalutinių reakcijų.
„Samsung“ teigimu, jų eksperimentinis elementas išlaiko apie 90 % talpos po 2000 įkrovimo ciklų. Tai reikštų maždaug 20 metų eksploatavimo elektromobilyje. Palyginimui, dauguma šiandieninių ličio jonų baterijų elektromobiliuose po maždaug 1000 ciklų – tai atitinka apie 8–10 metų įprasto naudojimo – gali prarasti iki 20 % talpos.
Naujos dizaino galimybės
Kietojo elektrolito elementams nereikia standaus korpuso, skirto sulaikyti lakų elektrolitą, be to, juos galima gaminti labai plonus. Tai suteikia gerokai daugiau laisvės kuriant baterijų formas.
Plonos plėvelinės baterijos gali būti integruojamos į itin smulkius ar net lanksčius elektronikos gaminius. Skelbiama, kad „Samsung“ kietojo elektrolito baterijas ketina pirmiausia išbandyti išmaniajame žiede „Galaxy Ring“ – mažame nešiojamajame įrenginyje, kuriam reikalinga ypač kompaktiška ir saugi baterija.
Kietosios baterijos gali būti formuojamos taip, kad optimaliai išnaudotų įrenginio viduje esančias ertmes, todėl ateityje galima tikėtis naujų formų elektronikos, kuri iki šiol buvo apribota baterijų gabaritų. Talpesnės ir miniatiūrinės baterijos reiškia realesnes galimybes rinkoje įsitvirtinti nešiojamiesiems išmaniesiems įrenginiams – žiedams, akiniams ir kitiems.
Pagrindiniai iššūkiai
Nors prototipai rodo puikius rezultatus, perkelti šią technologiją į masinę gamybą yra labai sudėtinga. Tenka spręsti daugybę medžiagotyros ir inžinerinių problemų – užtikrinti pakankamą jonų laidumą, cheminį ir mechaninį stabilumą, ilgaamžiškumą.
Dabartiniai gamybos procesai nėra pritaikyti kietojo elektrolito baterijoms. Palyginimui, ličio jonų baterijų pramonė vystoma jau apie 30 metų, o kietojo elektrolito elementų gamyba pradedama praktiškai nuo nulio. Tai reikalauja milžiniškų investicijų. Kol technologija nėra galutinai ištobulinta, įmonės vengia statyti brangias gamyklas – bijoma suklysti pasirenkant netinkamą medžiagą ar konstrukciją.
Istorinis „Toyota“ pavyzdys tai puikiai iliustruoja. Ši bendrovė dar 2010 m. pagamino pirmąjį prototipinį kietojo elektrolito elementą ir planavo iki 2020 m. tokią bateriją įdiegti automobiliuose. Vis dėlto, susidūrusi su techninėmis kliūtimis, planus vis atidėliojo ir neseniai paskelbė masinę gamybą planuojanti pradėti tik 2027 m. Tai rodo, kad net didžiausi automobilių gamintojai, investavę šimtus milijonų eurų, susiduria su netikėtomis problemomis, perkeldami naują chemiją iš laboratorijos į gamyklas.
Ypač įdomu stebėti minėtą „Donut Lab“ kuriamą technologiją. Jei visi įmonės teiginiai pasitvirtins, tai būtų didžiulis proveržis daugelyje sričių ir reikšmingas pasiekimas visai Europai.
Kainos klausimas glaudžiai susijęs su gamybos iššūkiais. Šiuo metu kietojo elektrolito akumuliatoriai yra gerokai brangesni už analogiškos talpos ličio jonų baterijas, nes jų gamybos procesai dar nėra efektyvūs. Dėl to kol kas finansiškai nenaudinga masiškai gaminti produktus su tokiomis baterijomis – vartotojai vargiai sutiktų mokėti kelis kartus daugiau už telefoną vien dėl šiek tiek geresnės baterijos.
Žaliavų ir tiekimo grandinių klausimai
Dar viena kliūtis – medžiagų tiekimo užtikrinimas. Naujos kartos baterijoms gali prireikti kitokių žaliavų nei tradicinėms ličio jonų baterijoms, pavyzdžiui, sieros, indžio, galbūt daugiau ličio, taip pat sidabro (kaip anodo priedo). Reikia sukurti patikimas šių medžiagų tiekimo grandines.
Vis dėlto šis iššūkis nėra neįveikiamas – daugelis bendrovių jau bendradarbiauja su chemijos pramonės partneriais, kad laiku apsirūpintų reikalingais komponentais, kai tik technologija bus visiškai pasirengusi.
Artimiausios ateities perspektyvos
„Samsung“ yra viena iš aktyviausiai į kietojo elektrolito baterijas investuojančių kompanijų. Remiantis viešais pranešimais, jau artimiausiu metu planuojama pristatyti pirmąjį įrenginį su tokia baterija – minėtą „Galaxy Ring“.
Vėliau, apie 2027 m., kietojo elektrolito baterijas numatoma diegti į belaides ausines ir išmaniuosius laikrodžius. Tik tuomet, jei technologija pasiteisins mažesniu mastu, ji bus pradėta diegti ir į išmaniuosius telefonus.
Pirmasis elektrinis motociklas „Verge TS Pro“ su kietojo elektrolito baterija pirkėjams turėtų būti pristatytas jau artimiausiais mėnesiais. Laukiama ir pirmųjų „Toyota“ ar kurio nors Kinijos gamintojo elektromobilių su tokiomis baterijomis.
Pažvelgus retrospektyviai, prieš keletą metų dažnai buvo sakoma: „Įsigysiu elektromobilį tik tuomet, kai jis viena įkrova įveiks 300 km.“ Kai daugumai elektromobilių toks nuotolis nuo maždaug 2020 m. tapo įprastas, kriterijus 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 varikliai automobiliuose ilgainiui gali tapti ekonomiškai ir technologiškai nelogišku sprendimu, iš esmės virsdami tik nostalgijos objektu.
