Przyszłość akumulatorów ze stałym elektrolitem

fot. Ogniwa litowo-jonowe mogą zostać zastąpione mocniejszymi i bezpieczniejszymi ogniwami ze stałym elektrolitem (źródło: markobe/stock.adobe.com)

W technice akumulatorów ze stałym elektrolitem (ang. solid-state) pojawia się mnóstwo innowacji, lecz nadal pozostają wyzwania techniczne, które należy pokonać, aby te urządzenia mogły stanowić niezawodną i skalowalną technologię.

Akumulatory ze stałym elektrolitem budzą realne poczucie oczekiwania w sektorach przemysłowym i motoryzacyjnym. Ich cechy konstrukcyjne mogą sprawić, że będą lżejsze, bezpieczniejsze, mocniejsze i o większej gęstości energii niż istniejące rozwiązania akumulatorowe, otwierając nowe zastosowania w dziedzinach takich jak pojazdy elektryczne (EV) i magazynowanie energii. Chociaż penetracja rynku jest wciąż niska, akumulatory ze stałym elektrolitem są bardzo obiecujące, a ich przyszłość rysuje się w jasnych barwach. 

Ale jak mają się sprawy, jeśli chodzi o ich dojrzałość i komercjalizację? Czy akumulatory ze stałym elektrolitem mogą sprostać wyzwaniom związanym z niezawodnością, skalowalnością i kosztami, aby w pełni zrealizować swój potencjał? A jeśli tak, to czy mogą przyspieszyć tempo wdrażania technologii elektrycznych, pomagając zmniejszyć emisję dwutlenku węgla w kierunku zerowej?

Aby odpowiedzieć na te pytania, warto ponownie przyjrzeć się podstawom budowy ogniw akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion) i ze stałym elektrolitem, żeby zrozumieć, dlaczego te drugie są tak wyjątkowe. Konstrukcje litowo-jonowe mają dwie stałe elektrody – katodę i anodę – oddzielone porowatą membraną, zwaną separatorem. Separator działa jak bariera zapobiegająca bezpośredniemu kontaktowi między elektrodami, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów litowych (Ilustracja 1).

Ciekły roztwór elektrolitu litowo-jonowego, który nasyca zarówno separator, jak i elektrody, ma kluczowe znaczenie dla przepływu jonów litowych między anodą a katodą podczas cykli ładowania i rozładowywania. Ten ruch jonów jest potrzebny do reakcji elektrochemicznych, które generują prąd elektryczny w ogniwie.

Akumulatory ze stałym elektrolitem są całkowicie odmienne. Elektrolit stały zastępuje w nich elektrolit ciekły, jednocześnie służąc jako separator. Stałe podłoże elektrolitowe, które może być wykonane z ceramiki, szkła lub stałego polimeru, skutecznie oddziela katodę i anodę, które mogą składać się z litu lub innych zaawansowanych materiałów.

Użycie stałego elektrolitu nie tylko zwiększa bezpieczeństwo akumulatora, zmniejszając ryzyko wycieku i łatwopalność, lecz także potencjalnie zwiększa gęstość energii i pozwala budować cieńsze akumulatory. Potencjał ogniw ze stałym elektrolitem w perspektywie krótkoterminowej wynosi około 1 kWh/kg, co przewyższa możliwości obecnych ogniw i może prowadzić do redukcji masy nawet o 30 procent przy tej samej pojemności. W dłuższej perspektywie potencjał tych ogniw wynosi nawet 11 kWh/kg.^[1]

Tak wyglądają podstawy chemii akumulatorów ze stałym elektrolitem. Jednakże ekscytacja wynika z ciągłych przełomów w zaawansowanych materiałach i budowie, szczególnie w zakresie elektrolitów stałych. Artykuł opublikowany ostatnio w Multidisciplinary Scientific Journal^[3] przedstawia te postępy, koncentrując się na trzech głównych obszarach: nieorganicznych, polimerowych i kompozytowych elektrolitach stałych.^[2]

W dziedzinie nieorganicznych elektrolitów stałych działania koncentrowały się na poprawie bezpieczeństwa i gęstości energii. Inżynierowie poszukują sposobów na przezwyciężenie niestabilności powietrza i elektrochemicznej przez innowacyjną konstrukcję materiałów i inżynierię granic międzyfazowych.

Jednocześnie inżynierowie poczynili postępy w zakresie stałych elektrolitów polimerowych, poprawiając przewodność jonową i wytrzymałość mechaniczną dzięki takim rozwiązaniom, jak wprowadzenie nowych kompozytów polimerowych i ultra-cienkich membran, które obiecują wyższe osiągi i bezpieczeństwo. Kompozytowe elektrolity stałe mogą poza tym wypełnić lukę między elektrolitami nieorganicznymi i polimerowymi, łącząc wysoką przewodność jonową z elastycznością i są obecnie dostosowywane do produkcji masowej dzięki skalowalnym technikom wytwarzania.

Co ciekawe, szybki rozwój ekscytujących technologii, takich jak informatyka kwantowa i sztuczna inteligencja, pozwala przyspieszyć odkrywanie nowych materiałów nadających się do stosowania w akumulatorach ze stałym elektrolitem. Może to doprowadzić do powstania nowych konstrukcji, takich jak cieńsze, bardziej elastyczne akumulatory o większej gęstości energii, a także innowacji w obudowach dla branży motoryzacyjnej.

Na przykład, niedawno w projekcie z udziałem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) i Microsoftu^[3][4] wykorzystano program sztucznej inteligencji do sprawdzenia ponad 32 milionów teoretycznych materiałów elektrolitu stałego – generowanych przez zamianę różnych pierwiastków w istniejących strukturach elektrolitu – filtrując je w oparciu o właściwości. Wstępne badania przesiewowe pomogły zredukować liczbę materiałów z 32 milionów do pół miliona w ciągu zaledwie kilku godzin. Dalsze uściślenie kryteriów wyboru zaowocowało ostateczną identyfikacją nowego materiału, opartego na mieszance jonów sodowych, litowych, itrowych i chlorkowych, który zdaniem naukowców może posłużyć do budowy akumulatora ze stałym elektrolitem o niskiej zawartości litu. Program SI zrealizował cały zakres pracy w ciągu około 80 godzin komputerowych, zastępując eksperymentalne przesiewanie wszystkich tych materiałów, które zajęłoby 20 lat.

Dobór i dopracowanie materiałów to nie jedyny obszar działań. Akumulatory ze stałym elektrolitem stoją również przed wyzwaniami związanymi ze skalowaniem i zrównoważonym rozwojem, zwłaszcza jeśli mają odegrać rolę w przejściu na gospodarkę o bardziej zamkniętym obiegu. Na przykład w branży motoryzacyjnej producenci samochodów, tacy jak Volkswagen, Mercedes i Toyota, ogłosili plany komercjalizacji akumulatorów ze stałym elektrolitemi, lecz to będzie wymagać czasu.

Ilustracja 1. Obecne akumulatory pojazdów elektrycznych są duże, ciężkie i trudne w produkcji (źródło: IM Imagery/stock.adobe.com)

Niedawno opublikowany przez IEEE Spectrum^[5] artykuł podkreśla niektóre z wyzwań, nakreślając długą krzywą walidacji w pięciu obszarach: bezpieczeństwa, osiągów, żywotności, kosztów i środowiska. Każdy z nich ma swoje własne podsektory, np. „osiągi” obejmują sprawność pod wpływem temperatur, wysokości, wstrząsów i wibracji. W IEEE stwierdzono, że powszechne przyjęcie akumulatorów ze stałym elektrolitem nie nastąpi, dopóki producenci samochodów nie będą mogli zweryfikować możliwości nowej technologii w każdym z krytycznych obszarów.^[4]

Nawet jeśli uda się to osiągnąć, konieczne będzie pokonanie przeszkód związanych z produkcją i skalowalnością. Zapewne będzie to wymagało budowy nowych zakładów, a następnie walidacji, prototypowania i testowania w cyklach pracy. Wspomniane wcześniej badania opisane w Multidisciplinary Scientific Journal pokazują, że produkcja akumulatorów ze stałym elektrolitem wiąże się z rygorystycznymi wymogami wytwarzania cienkich, wolnych od wad warstw stałego elektrolitu i ułatwienia ultra-precyzyjnego kontaktu z elektrodami. Procesy te wymagają bardzo precyzyjnej inżynierii i sterowania.

Tradycyjne metody produkcji, takie jak prasowanie proszków lub spiekanie, mogą nie nadawać się do wytwarzania cienkich, pozbawionych wad warstw elektrolitu o wysokiej przewodności jonowej. Prawdopodobnie konieczne będzie opracowanie nowatorskich technik produkcji, takich jak infuzja w roztworze, samoporządkowanie lub odlewanie folii ceramicznych. Skalowanie takich procesów wiąże się z wyzwaniami w zakresie jakości i stałości parametrów, które należy pokonać, aby osiągnąć rentowność komercyjną.

Są jednak powody do optymizmu. Akumulatory litowo-jonowe kiedyś borykały się z własnymi wyzwaniami produkcyjnymi, lecz innowacyjność i pomysłowość inżynierów sprawiły, że przeszkody te zostały pokonane. Nie ma powodu, aby sądzić, że nie będzie tak również w przypadku akumulatorów ze stałym elektrolitem.

Zaawansowane techniki produkcyjne, takie jak druk 3D i automatyzacja, mogą również obniżyć koszty i poprawić skalowalność. Na przykład produkcja addytywna w wysokiej rozdzielczości drukowania może umożliwić montaż różnych elektrolitów stałych w bardziej złożonych konfiguracjach geometrycznych (Ilustracja 2).

Ilustracja 2. Drukarki 3D do metalu, jak na zdjęciu powyżej, mogą odegrać rolę w produkcji akumulatorów ze stałym elektrolitem (źródło: nordroden/abobe.stock.com)

Kolejnym elementem układanki będzie znaczenie stosowania zrównoważonych materiałów i procesów, w tym recyklingu baterii. Tradycyjne akumulatory ołowiowe mają wskaźnik recyklingu na poziomie 99% – jeden z najwyższych spośród wszystkich produktów na świecie.^{[5][footnoteRef:6]} Lecz wskaźnik recyklingu dla akumulatorów litowo-jonowych jest znacznie niższy, a dalsze jego pogorszenie w przypadku akumulatorów ze stałym elektrolitem byłoby niezgodne z zasadami gospodarki o obiegu zamkniętym.

Jednym z wyzwań jest to, że stały elektrolit i materiały elektrod są często stopione ze sobą, co utrudnia ich oddzielenie w celu recyklingu. Obecnie brakuje również standaryzacji procesów recyklingu konstrukcji ze stałym elektrolitem. Wszystkie te czynniki będą wymagały dalszych badań i rozwoju, aby zapewnić, że akumulatory ze stałym elektrolitem będą stanowić krok naprzód pod względem zrównoważonego rozwoju.

Akumulatory ze stałym elektrolitem stanowią ekscytujący postęp technologiczny. Pomimo tego, że wciąż znajdują się na wczesnym etapie komercjalizacji, ich obietnica jest realizowana dzięki ciągłym postępom w zakresie materiałów i projektowania. Inżynierowie usilnie pracują również nad pokonaniem wyzwań związanych z procesami produkcyjnymi, skalowalnością i kosztami. Tymczasem ekscytujące technologie, takie jak sztuczna inteligencja, prawdopodobnie zwiększą tempo rozwoju, a druk 3D może otworzyć nowe drogi do elastyczności produkcji. 

Dzięki nieustannym innowacjom akumulatory ze stałym elektrolitem mogą doprowadzić do transformacji wielu branż, takich jak motoryzacja, elektronika użytkowa i magazynowanie energii na poziomie sieci energetycznej, wspierając czystszą i bardziej zelektryfikowaną przyszłość dla nas wszystkich.