Μπαταρίες στερεού τύπου: Το νέο καύσιμο των EV

Θεωρητικά ή όχι και τόσο θεωρητικά, πλέον οι μπαταρίες στερεού τύπου αποτελούν το «next big thing» για την ηλεκτροκίνηση αλλά και για την αυτοκινητοβιομηχανία.

Συνοπτικά πρόκειται μπαταρίες όπου ο υγρός ηλεκτρολύτης των σύγχρονων συστοιχιών αντικαθίσταται από ξηρό ηλεκτρολύτη με πολλαπλά οφέλη τόσο σε επίπεδο ενεργειακής πυκνότητας, όγκου αλλά και ασφάλειας.

Ένας κοινός τεχνολογικός στόχος

Για τους μη εξοικειωμένους με τον κλάδο της αυτοκινητοβιομηχανίας, ήδη από τις αρχές της δεκαετίας οι όμιλοι Toyota, ΒΜW, Ford, Hyundai, Renault, Nissan, VW, Stellantis, Honda, Mercedes-Benz καθώς και οι κινεζικές SAIC, Changan, GAC, BYD, Νio και o κολοσσός των μπαταριών CATL  κοινώς η συντριπτική πλειονότητα των κατασκευαστών έχει εκφράσει ενεργό και έμπρακτο ενδιαφέρον με επενδύσεις και σχετικά ερευνητικά projects για το συγκεκριμένο είδος μπαταριών που στη θεωρία τουλάχιστον υπόσχονται να τους λύσουν μια σειρά προβλήματα που συνδέονται με τις μπαταρίες υγρού ηλεκτρολύτη, την αντοχή τους στον χρόνο και την ασφάλειά τους η οποία, κατά γενική ομολογία, αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την ευρεία αποδοχή της ηλεκτροκίνησης από το κοινό.

Ξεκαθαρίζοντας κάποια πράγματα, αυτό δεν σημαίνει ότι σύγχρονες μπαταρίες, ως επί το πλείστον, με σύσταση ιόντων λίθίου, είναι «επικίνδυνες». Βέβαια περιστατικά όπως αυτά των φορτηγών πλοίων Felicity Ace και το πρόσφατο του Morning Midas που με φορτίο εκατοντάδες ηλεκτρικά αυτοκίνητα  αμφότερα βυθίστηκαν εξαιτίας χημικής πυρκαγιάς που ξέσπασε σε κάποιο από αυτά καθώς και ορισμένα μεμονωμένα περιστατικά ανάφλεξης EV που συνήθως οδηγούν σε ολική καταστροφή, λόγω κυρίως των ιδιαιτεροτήτων μιας φωτιάς που τροφοδοτείται από χημικά, έχουν προϊδεάσει για τις συνέπειες ενός ατυχήματος.

Μεγαλύτερη απόδοση, περισσότερη αντοχή, μικρότερος όγκος

Το κύριο επιχείρημα ωστόσο υπέρ της εξέλιξης των μπαταριών στερεού τύπου δεν είναι η μεγαλύτερη ασφάλεια που είναι δεδομένη λόγω της αντικατάστασης των εξαιρετικά εύφλεκτων ηλεκτρολυτών με ξηρά στοιχεία, όπως τα πολυμερή και τα κεραμικά, αλλά η αυξημένη ενεργειακή τους πυκνότητα καθώς και η μεγαλύτερη αντοχή τους στον χρόνο. Βάσει των όσων έχουν ανακοινωθεί από την αμερικανική startup Factorial η οποία συνεργάζεται με τους ομίλους Stellantis, Mercedes-Benz και Hyundai οι μπαταρίες στερεού τύπου μπορούν να προσφέρουν έως και κατά 40% μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με τις «μεγαλύτερες» μπαταρίες που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά. Αν λοιπόν οι μπαταρίες υγρού ηλεκτρολύτη μπορούν σήμερα να προσφέρουν αυτονομίες που φτάνουν τα 700 χλμ. είναι σαφές του τι μπορούν να προσφέρουν οι μπαταρίες με ξηρό ηλεκτρολύτη.

Επιπλέον η νέα τεχνολογία μπαταριών με υγρό ηλεκτρολύτη επιτρέπουν μικρότερες σε όγκο και ελαφρύτερες σε βάρος υλοποιήσεις για την κατασκευή τους, απαλλάσσοντας τις αυτοκινητοβιομηχανίες από την ανάγκη χρήσης ακριβών υλικών όπως το ανθρακόνημα και το αλουμίνιο υψηλής αντοχής ώστε να αντισταθμίσουν το επιπλέον βάρος των μπαταριών.

Ταχύτεροι χρόνοι φόρτισης

Επίσης η συγκεκριμένη τεχνολογία μπαταριών ξηρού τύπου έχει αποδειχθεί, βάσει σχετικών πειραμάτων στα οποία «συμφωνούν» όλες οι βιομηχανίες που έχουν σχετική ερευνητική δραστηριότητα, ότι προσφέρει θεαματικά ταχύτερη φόρτιση μειώνοντας τον χρόνο που χρειάζεται για την αναπλήρωση της ενέργειας μιας μπαταρίας έως το σύνηθες 80%, σε περίπου ένα τέταρτο της ώρας, μια ιδιότητα που αν επαληθευτεί και στην πράξη, αίρει ένα σημαντικό «μειονέκτημα» της ηλεκτροκίνησης, που είναι οι χρόνοι φόρτισης.

Οι διαφορές με τις μπαταρίες υγρού ηλεκτρολύτη

Σε ό,τι αφορά το έτερο βασικό πλεονέκτημα της νέας τεχνολογίας, τη μεγαλύτερη αντοχή στον χρόνο και στη φθορά, είναι δεδομένο ότι οι μπαταρίες με ξηρό ηλεκτρολύτη εξαλείφουν την τάση ανάπτυξης δενδριτών που καταστρέφουν προοδευτικά τις σύγχρονες μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Για να κατανοήσει κανείς λίγο καλύτερα τους δενδρίτες, αξίζει να γνωρίζει ότι οι μπαταρίες υγρού ηλεκτρολύτη αποτελούνται από ένα ανόδιο και ένα καθόδιο, ανάμεσα στα οποία βρίσκεται ένας πορώδης διαχωριστής από πολυμερές και ο ηλεκτρολύτης ο οποίος επιτρέπει τη μετακίνηση των ιόντων λιθίου ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια, δημιουργώντας τις χημικές αντιδράσεις που επιτρέπουν τη φόρτιση/εκφόρτιση της μπαταρίας.

Στην περίπτωση των γνωστών μπαταριών ιόντων λιθίου, το ανόδιο αποτελείται συνήθως από γραφίτη ή πυρίτιο, στοιχεία που συνδυαστικά με τον υγρό ηλεκτρολύτη έχουν την τάση κατά τη διαδικασία ταχείας φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας να δημιουργούν σχηματισμούς, τους δενδρίτες, που διαπερνούν τον πορώδη διαχωριστή και δημιουργούν βραχυκυκλώματα, καταστρέφοντας συν τω χρόνω και τη χρήση, την μπαταρία.

Παράλληλα η απουσία υγρού ηλεκτρολύτη προσφέρει μεγαλύτερη ασφάλεια σε περίπτωση ατυχημάτων, όπως τα παραπάνω, ενώ η ίδια η σύσταση της μπαταρίας απαλλάσσει σε μεγάλο βαθμό από τη χρήση σπάνιων πρώτων υλών όπως αυτές που χρησιμοποιούν οι σύγχρονες συστοιχίες ιόντων λιθίου όπως το νικέλιο και το κοβάλτιο, οι τιμές των οποίων αφενός έχουν εκτοξευθεί και αφετέρου η εξόρυξή τους είναι ιδιαιτέρως προβληματική τόσο ως διαδικασία όσο και από ανθρωπιστικής πλευράς λόγω της γεωγραφίας των κοιτασμάτων, αναγκάζοντας τους κατασκευαστές να επινοούν και να μετέρχονται σύνθετες μεθόδους όπως η ιχνηλασιμότητα μέσω τεχνολογίας blockchain προκειμένου να διασφαλίσουν ότι το «δικό» τους κοβάλτιο, νικέλιο, γραφίτης κ.ο.κ. έχει εξορυχθεί με τρόπο που δεν επιβαρύνει το περιβάλλον και δεν εμπλέκει ανίερες πρακτικές όπως η παιδική εργασία.

Η άλλη πλευρά

Αυτονόητα δεν είναι όμως όλα ρόδινα, καθώς η διαδικασία κατασκευής μπαταριών με ξηρό ηλεκτρολύτη εξακολουθεί να αποτελεί έναν δυσεπίλυτο γρίφο για τις βιομηχανίες καθώς απαιτεί συνθήκες που θυμίζουν θάλαμο υπερβαρικού οξυγόνου ενώ η τεχνολογία που έχουν στα χέρια τους και δοκιμάζουν αυτοκινητοβιομηχανίες όπως οι Mercedes-Benz και ο όμιλος Stellantis παρουσιάζει τις ίδιες με τις υφιστάμενες μπαταρίες, αν όχι περισσότερες, απώλειες στην απόδοσή της σε ακραίες καιρικές συνθήκες, ενώ οι συστοιχίες έχουν την τάση να διαστέλλονται με την πάροδο του χρόνου. Σε ό,τι αφορά τα δύο τελευταία, σύμφωνα με τις σχετικές ανακοινώσεις, οι ερευνητές ήδη εργάζονται για την επίλυσή τους. Μια από τις ενδεχόμενες λύσεις είναι η χρήση «υβριδικών» μπαταριών, μια ενδιάμεση λύση συσσωρευτή η οποία επιγράφεται ως μπαταρία ημίξηρου ή υβριδικού ηλεκτρολύτη.

Απλουστευτικά, ο παραδοσιακός υγρός ηλεκτρολύτης των σύγχρονων μπαταριών αντικαθίσταται από μια ημίρρευστη ουσία που διαχέεται σε ξηρού τύπου ηλεκτρολύτη και συνδυάζεται με ανόδιο λιθίου μετάλλου, εξασφαλίζοντας τα περισσότερα πλεονεκτήματα μιας μπαταρίας ξηρού ηλεκτρολύτη, αλλά κυρίως την εξαιρετικά κρίσιμη πλήρη συμβατότητα με τις σύγχρονες μεθόδους παραγωγής μπαταριών ιόντων λιθίου. Το συγκεκριμένο είδος μπαταριών θα μπορούσε έτσι να αποτελέσει μια εξαιρετικά βιώσιμη λύση που θα αξιοποιεί τις ήδη υφιστάμενες δομές παραγωγής συστοιχιών ιόντων λιθίου.

Το χρονοδιάγραμμα άφιξης

Αν αναρωτιέστε ήδη για τα χρονοδιάγραμμα άφιξης της τεχνολογίας αξίζει να σημειωθεί ότι η Mercedes-Benz έχει ήδη ξεκινήσει δοκιμές σε πραγματικές συνθήκες με οχήματα που εφοδιάζονται με μπαταρίες ξηρού τύπου ενεργειακής πυκνότητας 450 kWh με την προοπτική παραγωγής τους ήδη από 2026. Το ίδιο έχει ανακοινώσει και ο όμιλος Stellantis ο οποίος επίσης συνεργάζεται με την Factorial και σχεδιάζει να ξεκινήσει δοκιμές από το 2026 με ένα στόλο από αντίστοιχης τεχνολογίας Dodge Charger.

O όμιλος BMW ο οποίος συνεργάζεται με την Solid Power για την ανάπτυξη μπαταριών ξηρού ηλεκτρολύτη διεξάγει ήδη δοκιμές με BMW i7 στο δημόσιο οδικό δίκτυο ενώ σύμφωνα με τις προβλέψεις της η συγκεκριμένη τεχνολογία θα είναι διαθέσιμη σε μοντέλα της έως τα τέλος της δεκαετίας.

Τον ίδιο χρονικό ορίζοντα έχει θέσει και η Honda η οποία έχει δημιουργήσει μια πιλοτική γραμμή παραγωγής μπαταριών στερεού τύπου στην Ιαπωνία και σχεδίαση την χρήση των μπαταριών ξηρού ηλεκτρολύτη σε ηλεκτρικά όσο και σε υβριδικά μοντέλα της.

Πιλοτική γραμμή παραγωγής μπαταριών αντίστοιχης τεχνολογίας έχει δημιουργήσει και η Nissan στο πλαίσιο του στόχου της για τον εφοδιασμό των ηλεκτρικών αυτοκινήτων της με μπαταρίες στερεού τύπου από το 2028.

Η Toyota που συνεργάζεται με την Idemitsu Kosan στοχεύει στην εμπορική χρήση μπαταριών στερεού τύπου ήδη από το 2027 και σύμφωνα με τις προβλέψεις της αυτές θα προσφέρουν αυτονομία  έως και 1.600 χλμ.

Στο όχημα των μπαταριών στερεού τύπου έχει επιβιβαστεί και ο όμιλος VW ο οποίος έχει συμπράξει με την Quantum Scape προκειμένου να οδηγήσει το συγκεκριμένο είδος τεχνολογίας στην μαζική παραγωγή. Βάσει της σχετικής έρευνας οι πρωτότυπες μπαταρίες που δοκιμάζει και εξελίσσει διατηρούν το 95% της απόδοσης τους ακόμα και μετά από 500.000 χλμ. ή 1.000 κύκλους φόρτισης εκφόρτισης.