Hovorí sa o nich už niekoľko rokov a sú považované za „hrobára“ súčasných Li-ion batérií. Prečo ešte nie sú na trhu? A aké sú to vlastne batérie? Na tieto otázky budeme hľadať odpoveď v nasledujúcom článku.
Pevná či polovodičová?
Názov Solid-state battery by sme mohli preložiť, ako polovodičová batéria. Pre lepšiu názornosť je pre ňu ale bližší názov pevná batéria. Možno si poviete, že o zázračných, revolučných batériových technológiách počujeme z každej strany, avšak koľko z nich sa skutočne dostalo do komerčnej výroby a do hotových produktov?
Batérie Solid-state sú výnimkou. Sú na prvom mieste, pokiaľ ide o technológiu batérií pre budúcnosť elektromotorov, ktorá sa uskutoční rýchlejšie, než mnohí starší výrobcovia automobilov očakávali. Aj preto sa do vývoja technológie pevných batérií (Solid-state batérie) nalievajú veľké peniaze. Veľké spoločnosti a výrobcovia automobilov ako Ford, Honda a Toyota upriamili pozornosť práve na tento druh „uskladňovača elektriny“. Dokonca Volkswagen chce mať prvé auto s takýmto zdrojom energie.
Čo sú to Solid-state batérie?
Krátka odpoveď: Sú ako bežné lítiové batérie, ale lepšie. Jednoducho povedané, sú naozaj pevné. Lítium-iónová batéria sa skladá z katódy, anódy, separátora a elektrolytu. Lítium-iónová batéria používaná v smartfónoch, elektrickom náradí a elektrických vozidlách používa roztok tekutého elektrolytu. Na druhej strane, Solid-state batéria používa pevný elektrolyt, nie kvapalný. Preto je nazývaná pevnou.
Prečo ich potrebujeme?
Bežné lítiové batérie s kvapalným elektrolytom musia byť dosť veľké, aby mohli poháňať „niečo“ o veľkosti auta. Majú problémy s bezpečnosťou a môžu napučať v dôsledku zmien teploty alebo vytekať pri príliš silnom stlačení. Kvapalina vo vnútri je tiež horľavá. A to nie je všetko. Ako pravdepodobne viete, batéria telefónu zvyčajne nevydrží príliš dlho. Každý z nás už niekedy pocítil úzkosť typu „môj telefón umiera“.
Aj keď sú konvenčné lítium-iónové batérie lepšie ako ich predchodcovia, ich energetická hustota, na dnešné pomery, nie je až tak dostatočná. Okrem toho sa nabíjajú pomaly a majú obmedzenú životnosť. To ich robí menej ako ideálnymi pre mnohé aplikácie, medzi ktoré patria elektrické vozidlá spolu s lekárskymi prístrojmi, ako sú kardiostimulátory alebo elektrické lietadlá. Pevné batérie sú však o niečom inom.
Na veľkosti záleží
Spoločnosti zaoberajúce sa prieskumom trhu očakávajú, že elektrické vozidlá nahradia vozidlá so spaľovacím motorom a stanú sa hlavným prúdom v automobilovom priemysle. A aby sa elektrické vozidlá stali nespochybniteľným lídrom v tomto odvetví, mali by mať podobný dojazd ako súčasné spaľovacie, a na to je dôležité zvýšiť kapacitu batérie.
Existujú dva spôsoby zvýšenia kapacity. Prvým je zvýšenie počtu batérií. V tomto prípade však stúpne celková cena batérií a batérie zaberú vo vozidle veľa miesta.
Naopak – pevná batéria má vyššiu hustotu energie ako Li-ion batéria, ktorá používa roztok kvapalného elektrolytu. Nehrozí pri nej riziko výbuchu alebo požiaru, takže nie je potrebné mať bezpečnostné komponenty, čím sa ušetrí viac miesta. Potom máme viac priestoru na umiestnenie väčšieho množstva aktívnych materiálov, ktoré zvyšujú kapacitu batérie.
Pevná batéria môže zvýšiť hustotu energie na jednotku plochy, pretože je potrebný len malý počet batérií. Z tohto dôvodu je táto batéria ideálna na vytvorenie batériového systému modulu a balíka pre elektromobily, ktorý potrebuje vysokú kapacitu.
Ďalšie benefity
Solid-state batérie majú vyššiu hustotu energie ako štandardné lítium-iónové batérie, čo znamená, že dokážu uskladniť viac energie v rovnakom objeme. To sa môže prejaviť v elektromobiloch alebo smartfónoch s dlhším dojazdom, ktoré môžu na jedno nabitie fungovať celé dni, ako aj v menších a ľahších batériách pre prenosné zariadenia. A kto vie? Možno sa vďaka nim jedného dňa stane uskutočniteľným aj medzikontinentálny let na elektrický pohon.
Polovodičové batérie sa tiež môžu nabíjať rýchlejšie ako batérie s tekutým elektrolytom, takže sú vhodnejšie pre elektrické vozidlá a iné aplikácie, kde je dôležité rýchle nabíjanie. Už žiadne niekoľkohodinové čakanie na to, aby ste sa mohli vrátiť na cestu!
Polovodičové batérie sú tiež bezpečnejšie. Keďže je menej pravdepodobné, že sa vznietia alebo vybuchnú, ako v prípade kvapalných batérií, sú vhodnejšie na použitie v aplikáciách, kde je bezpečnosť dôležitá, ako sú napríklad elektrické vozidlá a drony.
Aspoň podľa teórie. Vyrobiť skutočnú komerčne dostupnú pevnú batériu za prijateľnú cenu je úplne iná záležitosť. Aby sme však pochopili, čo to znamená a prečo by komerčne dostupná polovodičová batéria bola prelomová, zopakujme si v krátkosti základy batérií, ktoré sme sa učili v škole.
Ako fungujú lítiové batérie?
Základnými prvkami lítium-iónovej batérie sú strana s kladnou elektródou, strana so zápornou elektródou a oddeľovacia vrstva medzi nimi, ktorá zabraňuje akémukoľvek priamemu kontaktu. To všetko je ponorené v kvapalnom elektrolyte.
Kľúčom k batériám na báze lítia je, že atómy lítia sú veľmi dobrými darcami elektrónov. Extrémne sa chcú zbaviť jediného elektrónu, ktorý majú na svojom vonkajšom plášti. Tok týchto elektrónov predstavuje elektrický prúd, ktorý vychádza z batérie.
A mimochodom, keď atóm lítia stratí tento vonkajší elektrón, stane sa kladne nabitým iónom. Odtiaľ pochádza názov „lítium-iónová batéria“. Vrstva separátora, ktorú sme už spomínali, umožňuje prechod iónov lítia, ale nie elektrónov. Funguje teda aj ako izolant.
Záporná strana elektródy batérie obsahuje grafit, ktorý pri nabíjaní batérie ukladá atómy lítia. Keď zariadenie pripojíte, batéria sa začne vybíjať. Lítium stráca elektrickým prúdom elektrón – mení sa na ión – a ión putuje cez tekutý elektrolyt a cez separátor do kladnej strany elektródy. Kladná strana je zvyčajne vyrobená zo zlúčenín, ktoré majú tiež nevýhody a obmedzenia. Nehovoriac o tom, že používanie kvapalných elektrolytov má niekoľko nevýhod.
Ako fungujú pevné batérie?
Pevné (polovodičové) batérie fungujú podobne ako bežné lítiovo-iónové batérie, len namiesto kvapalného elektrolytu, cez ktorý prúdia ióny lítia, majú pevný elektrolyt. Základný princíp je však rovnaký. Veľkou výhodou je, že nemajú bezpečnostné problémy, ktoré prináša kvapalný elektrolyt.
Na kladnej strane sa namiesto toho, aby obsahovala elektródu z oxidu kovu ako štandardné batérie s kvapalným elektrolytom, čisté lítium hromadí vo forme kovu, keď počas vybíjania prúdi zo zápornej strany na kladnú. Tým sa ušetrí veľa miesta.
Prečo ešte nie sú v každom elektronickom zariadení?
Nuž preto, lebo sú stále vo vývoji a je potrebné prekonať niektoré problémy, kým sa začnú používať vo veľkom. Hlavným faktorom sú náklady. Výroba polovodičových batérií je v súčasnosti drahšia ako výroba bežných lítium-iónových batérií, pretože polovodičové batérie používajú materiály, ktorých výroba je drahšia a zložitejšia.
Mnohé z potenciálnych výhod, o ktorých sme už hovorili, ako napríklad dlhšia životnosť, rýchlejšie nabíjanie a vyššia energetická hustota, sa ešte plne nepremietli do komerčných výrobkov.
Kedy sa ich dočkáme?
Factorial Energy je spoločnosť so sídlom v Massachusetts, ktorá vyvíja polovodičové batérie a už celé desaťročie pracuje na vývoji a prípadnej výrobe technológie skladovania energie na podporu aplikácií pohonu s nulovými emisiami.
Spoločnosť dosiahla významný míľnik v januári tohto roku na veľtrhu CES, keď predstavila prototyp vlajkového produktu – polovodičového článku Factorial Electrolyte System Technology (FEST) s kapacitou 100 ampérhodín (Ah). Táto patentovaná technológia batérií ponúka kompatibilitu s existujúcimi zariadeniami na výrobu lítium-iónových batérií, čo môže výrobcom automobilov umožniť plynulejší prechod na pokročilé články.
V máji sa spoločnosť Factorial podelila o to, že tieto polovodičové články získali certifikát, aby sa mohli začať dodávať výrobcom automobilov, ktorí ich môžu sami otestovať pred tým, ako ich začlenia do nových modelov elektrických vozidiel. Vývojár batérií sa v súčasnosti podieľa na viacerých spoločných podnikoch s niektorými pozoruhodnými menami v automobilovom priemysle vrátane spoločností Mercedes-Benz, Hyundai Motor Group a Stellantis.
Odborníci sú zatiaľ zdržanliví, napriek tomu sa zatiaľ odhaduje, že by technológia mohla byť dokončená a pripravená pre komerčné nasadenie niekedy medzi rokmi 2024 až 2025. Optimisti hovoria o závere tohto roku.