Jak dojdziemy do kolejnego wielkiego przełomu w dziedzinie baterii
Czytasz właśnie artykuł ekskluzywny dla członków Quartz, dostępny dla wszystkich czytelników przez ograniczony czas.Aby odblokować dostęp do całego Quartz zostań członkiem.
Elektryczne samoloty mogą być przyszłością lotnictwa. W teorii będą one znacznie cichsze, tańsze i czystsze niż samoloty, które mamy obecnie. Samoloty elektryczne o zasięgu 1000 km (620 mil) na jednym ładowaniu mogłyby być wykorzystywane do połowy wszystkich dzisiejszych lotów komercyjnych, zmniejszając globalną emisję dwutlenku węgla w lotnictwie o około 15%.
To samo dotyczy samochodów elektrycznych. Samochód elektryczny nie jest po prostu czystszą wersją swojego wyrzucającego zanieczyszczenia kuzyna. Jest to, zasadniczo, lepszy samochód: Jego silnik elektryczny emituje niewiele hałasu i błyskawicznie reaguje na decyzje kierowcy. Naładowanie samochodu elektrycznego kosztuje znacznie mniej, niż zapłacenie za taką samą ilość benzyny. Samochody elektryczne mogą być zbudowane z niewielką ilością ruchomych części, co czyni je tańszymi w utrzymaniu.
Dlaczego więc samochody elektryczne nie są jeszcze wszędzie? To dlatego, że baterie są drogie, co sprawia, że początkowy koszt samochodu elektrycznego jest znacznie wyższy niż podobnego modelu zasilanego gazem. A jeśli nie jeździsz dużo, oszczędności na benzynie nie zawsze równoważą wyższe koszty początkowe. Krótko mówiąc, samochody elektryczne wciąż nie są opłacalne.
Podobnie, obecne akumulatory nie są w stanie dostarczyć wystarczającej ilości energii w stosunku do masy lub objętości, aby zasilić samoloty pasażerskie. Wciąż potrzebujemy fundamentalnego przełomu w technologii akumulatorów, zanim stanie się to rzeczywistością.
Urządzenia przenośne zasilane bateriami zmieniły nasze życie. Ale jest jeszcze wiele innych rzeczy, które baterie mogą zmienić, jeśli tylko uda się wyprodukować bezpieczniejsze, mocniejsze i gęstsze energetycznie baterie po niższych kosztach. Żadne prawo fizyki nie wyklucza ich istnienia.
A jednak, pomimo ponad dwóch stuleci intensywnych badań od czasu wynalezienia pierwszej baterii w 1799 roku, naukowcy wciąż nie rozumieją w pełni wielu podstaw tego, co dokładnie dzieje się wewnątrz tych urządzeń. To, co wiemy, to że istnieją zasadniczo trzy problemy do rozwiązania, aby baterie mogły ponownie zmienić nasze życie: moc, energia i bezpieczeństwo.
Nie istnieje jedna uniwersalna bateria litowo-jonowa
Każda bateria ma dwie elektrody: katodę i anodę. Większość anod w bateriach litowo-jonowych jest wykonana z grafitu, ale katody są wykonane z różnych materiałów, w zależności od tego, do czego bateria będzie używana. Poniżej można zobaczyć, jak różne materiały katod zmieniają sposób, w jaki baterie radzą sobie z sześcioma czynnościami.
Wyzwanie mocy
W potocznym rozumieniu, ludzie używają słów „energia” i „moc” zamiennie, ale ważne jest, aby je rozróżniać, kiedy mówimy o akumulatorach. Moc to szybkość, z jaką energia może zostać uwolniona.
Bateria wystarczająco mocna, aby wystrzelić i utrzymać w powietrzu komercyjny odrzutowiec na dystansie 1000 km wymaga uwolnienia dużej ilości energii w bardzo krótkim czasie, zwłaszcza podczas startu. Nie chodzi więc tylko o zgromadzenie dużej ilości energii, ale także o zdolność do jej szybkiego wydobycia.
Poradzenie sobie z wyzwaniem dotyczącym zasilania wymaga od nas zajrzenia do czarnej skrzynki komercyjnych akumulatorów. Zrobi się trochę kujońsko, ale proszę mi wybaczyć. Nowe technologie akumulatorowe są często przesadnie reklamowane, ponieważ większość ludzi nie przygląda się wystarczająco dokładnie szczegółom.
Najnowocześniejszą technologią akumulatorową, jaką obecnie dysponujemy, jest litowo-jonowa. Większość ekspertów zgadza się, że żadna inna chemia nie przebije litowo-jonowej przez co najmniej kolejną dekadę lub dłużej. Bateria litowo-jonowa ma dwie elektrody (katodę i anodę) z separatorem (materiałem, który przewodzi jony, ale nie elektrony, zaprojektowany, aby zapobiec zwarciu) w środku i elektrolitem (zazwyczaj płynnym), aby umożliwić przepływ jonów litu tam i z powrotem pomiędzy elektrodami. Kiedy bateria jest ładowana, jony przemieszczają się od katody do anody; kiedy bateria jest zasilana, jony przemieszczają się w przeciwnym kierunku.
Wyobraź sobie dwa bochenki pokrojonego chleba. Każdy bochenek jest elektrodą: lewy jest katodą, a prawy anodą. Załóżmy, że katoda składa się z kromek niklu, manganu i kobaltu (NMC) – jednych z najlepszych w swojej klasie – a anoda z grafitu, który jest zasadniczo warstwowym arkuszem lub plasterkiem atomów węgla.
W stanie rozładowania – tj. po tym, jak został pozbawiony energii – bochenek NMC ma jony litu umieszczone pomiędzy każdą kromką. Podczas ładowania baterii, każdy jon litu jest wydobywany spomiędzy plastrów i zmuszany do przemieszczania się przez ciekły elektrolit. Separator działa jak punkt kontrolny, który zapewnia, że tylko jony litu przechodzą do grafitowego bochenka. Po pełnym naładowaniu, w bochenku katodowym baterii nie będzie już żadnych jonów litu; wszystkie one będą uporządkowane pomiędzy plastrami grafitu. W miarę zużywania energii przez baterię, jony litu wędrują z powrotem do katody, aż do momentu, gdy w anodzie nie pozostanie żaden. Wtedy baterię trzeba ponownie naładować.
Pojemność baterii zależy zasadniczo od tego, jak szybko zachodzi ten proces. Ale nie jest tak łatwo podkręcić prędkość. Zbyt szybkie wyciągnięcie jonów litu z bochenka katody może spowodować, że plasterki będą miały wady i w końcu się rozpadną. Jest to jeden z powodów, dla których im dłużej używamy naszego smartfona, laptopa czy samochodu elektrycznego, tym gorsza jest żywotność ich baterii. Każde naładowanie i rozładowanie powoduje, że bochenek trochę słabnie.
Różne firmy pracują nad rozwiązaniem tego problemu. Jednym z pomysłów jest zastąpienie warstwowych elektrod czymś strukturalnie mocniejszym. Na przykład, stuletnia szwajcarska firma Leclanché, zajmująca się produkcją baterii, pracuje nad technologią, która wykorzystuje fosforan żelaza litu (LFP), który ma strukturę „oliwinową”, jako katodę, oraz tlenek tytanianu litu (LTO), który ma strukturę „spinelową”, jako anodę. Struktury te lepiej radzą sobie z przepływem jonów litu do i z materiału.
Leclanché wykorzystuje obecnie swoje ogniwa akumulatorowe w autonomicznych wózkach widłowych do magazynów, które można naładować do 100% w dziewięć minut. Dla porównania, najlepsza ładowarka Tesli może naładować akumulator samochodu Tesli do około 50% w ciągu 10 minut. Leclanché wdraża również swoje akumulatory w Wielkiej Brytanii do szybko ładujących się samochodów elektrycznych. Akumulatory te stoją w stacji ładowania i przez długi czas pobierają z sieci niewielkie ilości energii, aż zostaną w pełni naładowane. Następnie, gdy samochód dojeżdża do stacji, akumulatory stacji dokującej szybko ładują jego baterię. Kiedy samochód odjeżdża, bateria stacji zaczyna ładować się ponownie.
Wysiłki takie jak Leclanché’a pokazują, że możliwe jest majstrowanie przy składzie chemicznym baterii w celu zwiększenia ich mocy. Mimo to, nikt jeszcze nie zbudował baterii wystarczająco mocnej, aby szybko dostarczyć energię potrzebną komercyjnemu samolotowi do pokonania grawitacji. Startupy starają się budować mniejsze samoloty (mieszczące do 12 osób), które mogłyby latać na bateriach o stosunkowo niskiej gęstości mocy, lub elektryczne samoloty hybrydowe, w których paliwo odrzutowe wykonuje ciężką pracę, a baterie wykonują pracę na biegu jałowym.
Ale tak naprawdę nie ma żadnej firmy pracującej w tej przestrzeni w pobliżu komercjalizacji. Co więcej, taki skok technologiczny, jakiego wymaga całkowicie elektryczny samolot komercyjny, zajmie prawdopodobnie dziesięciolecia, mówi Venkat Viswanathan, ekspert w dziedzinie akumulatorów z Carnegie Mellon University.
Wyzwanie energetyczne
Tesla Model 3, najbardziej przystępny cenowo model firmy, zaczyna się od 35 000 dolarów. Jest on zasilany baterią o pojemności 50 kWh, która kosztuje około 8 750 dolarów, czyli 25% całkowitej ceny samochodu.
To wciąż zadziwiająco przystępna cena w porównaniu z sytuacją, która miała miejsce nie tak dawno temu. Według Bloomberg New Energy Finance, średni globalny koszt baterii litowo-jonowych w 2018 r. wynosił około 175 dolarów za kWh – w porównaniu do prawie 1200 dolarów za kWh w 2010 r.
Departament Energii USA oblicza, że gdy koszty baterii spadną poniżej 125 dolarów za kWh, posiadanie i eksploatacja samochodu elektrycznego będzie tańsza niż samochodu zasilanego gazem w większości części świata. Nie oznacza to, że pojazdy elektryczne wygrają z pojazdami napędzanymi gazem we wszystkich niszach i dziedzinach – na przykład, ciężarówki dalekobieżne nie mają jeszcze rozwiązania elektrycznego. Ale jest to punkt zwrotny, w którym ludzie zaczną preferować samochody elektryczne po prostu dlatego, że w większości przypadków będą one bardziej opłacalne.
Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego celu jest zwiększenie gęstości energetycznej akumulatorów – zmieszczenie większej ilości kWh w pakiecie akumulatorów bez obniżania ich ceny. Chemicy zajmujący się bateriami mogą tego dokonać, teoretycznie, poprzez zwiększenie gęstości energetycznej katody lub anody, lub obu tych elementów.
Najbardziej gęstą energetycznie katodą na drodze do komercyjnej dostępności jest NMC 811 (każda cyfra w numerze oznacza odpowiednio stosunek niklu, manganu i kobaltu w mieszance). Nie jest ona jeszcze doskonała. Największym problemem jest to, że może wytrzymać tylko stosunkowo niewielką liczbę cykli ładowania-rozładowania, zanim przestanie działać. Eksperci przewidują jednak, że przemysł R&D powinien rozwiązać problemy NMC 811 w ciągu najbliższych pięciu lat. Gdy tak się stanie, baterie wykorzystujące NMC 811 będą miały większą gęstość energii o 10% lub więcej.
Jednakże wzrost o 10% to nie tak dużo w szerszej perspektywie.
I chociaż seria innowacji w ciągu ostatnich kilku dekad popchnęła gęstość energii katod na jeszcze wyższy poziom, to anody są miejscem, gdzie leżą największe możliwości w zakresie gęstości energii.
Grafit był i pozostaje zdecydowanie dominującym materiałem anodowym. Jest tani, niezawodny i stosunkowo gęsty energetycznie, zwłaszcza w porównaniu z obecnymi materiałami katodowymi. Jednak jest on dość słaby w porównaniu z innymi potencjalnymi materiałami anodowymi, takimi jak krzem i lit.
Krzem, na przykład, teoretycznie znacznie lepiej absorbuje jony litu niż grafit. Dlatego też wiele firm produkujących baterie stara się dodać trochę krzemu do grafitu w swoich anodach; prezes Tesli, Elon Musk, powiedział, że jego firma już to robi w swoich bateriach litowo-jonowych.
Większym krokiem byłoby opracowanie opłacalnej anody wykonanej całkowicie z krzemu. Ale ten pierwiastek ma cechy, które to utrudniają. Kiedy grafit absorbuje jony litu, jego objętość nie zmienia się zbytnio. Anoda krzemowa natomiast pęcznieje czterokrotnie w stosunku do swojej pierwotnej objętości w tym samym scenariuszu.
Niestety, nie można po prostu powiększyć obudowy, aby pomieścić to pęcznienie, ponieważ rozszerzenie rozrywa to, co nazywa się „stałą fazą elektrolitu” lub SEI, anody krzemowej.
Można myśleć o SEI jako o swego rodzaju warstwie ochronnej, którą anoda tworzy sama dla siebie, podobnie jak żelazo tworzy rdzę, znaną również jako tlenek żelaza, aby chronić się przed żywiołami: Kiedy zostawiamy kawałek świeżo wykutego żelaza na zewnątrz, powoli reaguje on z tlenem zawartym w powietrzu i rdzewieje. Pod warstwą rdzy, reszta żelaza nie cierpi z powodu tego samego losu i dlatego zachowuje integralność strukturalną.
Pod koniec pierwszego ładowania baterii, elektroda tworzy własną warstwę „rdzy” – SEI – oddzielając niezmienioną część elektrody od elektrolitu. SEI powstrzymuje dodatkowe reakcje chemiczne przed zużyciem elektrody, zapewniając, że jony litu mogą przepływać tak gładko, jak to tylko możliwe.
Ale w przypadku anody krzemowej, SEI rozpada się za każdym razem, gdy bateria jest używana do zasilania i reformuje się za każdym razem, gdy bateria jest ładowana. A podczas każdego cyklu ładowania, trochę krzemu jest zużywane. Ostatecznie, krzem rozprasza się do punktu, w którym bateria już nie działa.
W ciągu ostatniej dekady, kilka startupów z Doliny Krzemowej pracowało nad rozwiązaniem tego problemu. Na przykład, podejście Sila Nano polega na zamknięciu atomów krzemu w nanorozmiarowej powłoce z dużą ilością pustego miejsca w środku. W ten sposób, SEI jest formowany na zewnątrz powłoki, a ekspansja atomów krzemu zachodzi wewnątrz niej, bez rozbijania SEI po każdym cyklu ładowania-rozładowania. Firma, wyceniana na 350 milionów dolarów, twierdzi, że jej technologia pozwoli na zasilanie urządzeń już w 2020 roku.
Enovix, z drugiej strony, stosuje specjalną technikę produkcji, aby umieścić anodę w 100% krzemową pod ogromnym ciśnieniem fizycznym, zmuszając ją do wchłonięcia mniejszej ilości jonów litu, a tym samym ograniczając ekspansję anody i zapobiegając pękaniu SEI. Firma posiada inwestycje od Intela i Qualcomm, a także oczekuje, że jej baterie znajdą się w urządzeniach do 2020 roku.
Te kompromisy oznaczają, że anoda krzemowa nie może osiągnąć teoretycznie wysokiej gęstości energii. Obie firmy twierdzą jednak, że ich anody działają lepiej niż anody grafitowe. Obecnie strony trzecie testują baterie obu firm.
Wyzwanie związane z bezpieczeństwem
Całe to molekularne majstrowanie przy akumulatorach w celu zgromadzenia w nich większej ilości energii może odbywać się kosztem bezpieczeństwa. Od czasu swojego wynalezienia, bateria litowo-jonowa powodowała bóle głowy z powodu tego, jak często się zapalała. W latach 90. ubiegłego wieku kanadyjska firma Moli Energy wprowadziła na rynek baterię litowo-metalową do telefonów. Ale w prawdziwym świecie, jej baterie zaczęły się zapalać i firma Moli była zmuszona wycofać swoje produkty z rynku, a w końcu ogłosić upadłość. (Niektóre z jego aktywów zostały zakupione przez tajwańską firmę i nadal sprzedaje akumulatory litowo-jonowe marki E-One Moli Energy). Niedawno, Samsung Galaxy Note 7 smartfony, które zostały wykonane z nowoczesnych baterii litowo-jonowych, zaczął eksplodować w kieszeniach ludzi. Wynikające z tego wycofanie produktu z 2016 r. kosztowało południowokoreańskiego giganta 5,3 mld dolarów.
Dzisiejsze baterie litowo-jonowe nadal wiążą się z nieodłącznym ryzykiem, ponieważ prawie zawsze wykorzystują łatwopalne ciecze jako elektrolit. Jednym z niefortunnych (dla nas, ludzi) dziwactw natury jest to, że ciecze zdolne do łatwego transportu jonów mają również tendencję do obniżania progu zapalności. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie elektrolitów stałych. Oznacza to jednak inne kompromisy. Konstrukcja baterii może z łatwością zawierać ciekły elektrolit, który ma kontakt z każdym fragmentem elektrod – dzięki temu jest w stanie efektywnie przenosić jony. W przypadku ciał stałych jest to o wiele trudniejsze. Wyobraź sobie, że wrzucasz parę kostek do kubka z wodą. Teraz wyobraź sobie, że wrzucasz te same kostki do kubka z piaskiem. Oczywiście woda dotknie znacznie większej powierzchni kostek niż piasek.
Do tej pory komercyjne wykorzystanie baterii litowo-jonowych z elektrolitami stałymi było ograniczone do zastosowań o niskiej mocy, takich jak czujniki podłączone do Internetu. Wysiłki zmierzające do zwiększenia skali baterii półprzewodnikowych – czyli nie zawierających ciekłego elektrolitu – można ogólnie podzielić na dwie kategorie: stałe polimery w wysokich temperaturach i ceramika w temperaturze pokojowej.
Solidne polimery w wysokich temperaturach
Polimery to długie łańcuchy cząsteczek połączonych ze sobą. Są one niezwykle powszechne w codziennych zastosowaniach – na przykład jednorazowe plastikowe torby są wykonane z polimerów. Kiedy niektóre rodzaje polimerów są podgrzewane, zachowują się jak ciecze, ale bez łatwopalności ciekłych elektrolitów używanych w większości baterii. Innymi słowy, mają one wysoką przewodność jonów jak ciekły elektrolit bez ryzyka.
Mają one jednak ograniczenia. Mogą działać tylko w temperaturach powyżej 105°C, co oznacza, że nie są praktyczną opcją np. dla smartfonów. Można je jednak wykorzystać do magazynowania energii z sieci, na przykład w domowych akumulatorach. Przynajmniej dwie firmy – SEEO z siedzibą w USA i Bolloré z siedzibą we Francji – opracowują akumulatory półprzewodnikowe, w których elektrolitem są wysokotemperaturowe polimery.
Ceramika w temperaturze pokojowej
W ciągu ostatniej dekady dwie klasy ceramiki -LLZO (tlenek litu, lantanu i cyrkonu) oraz LGPS (siarczek litu, germanu i fosforu) – okazały się niemal tak dobre w przewodzeniu jonów w temperaturze pokojowej jak ciecze.
Toyota, jak również startup QuantumScape z Doliny Krzemowej (który w zeszłym roku pozyskał 100 milionów dolarów finansowania od Volkswagena), pracują nad zastosowaniem ceramiki w akumulatorach litowo-jonowych. Włączenie dużych graczy w tej przestrzeni wskazuje, że przełom może być bliżej niż wielu myśli.
„Jesteśmy dość blisko, aby zobaczyć coś prawdziwego w ciągu dwóch lub trzech lat”, mówi Viswanathan z Carnegie Mellon.
Działanie równoważące
Baterie już teraz są wielkim biznesem, a rynek na nie wciąż rośnie. Wszystkie te pieniądze przyciągają wielu przedsiębiorców z jeszcze większą liczbą pomysłów. Ale startupy związane z bateriami to trudne zakłady – upadają nawet częściej niż firmy programistyczne, które znane są z wysokiego wskaźnika porażki. Dzieje się tak dlatego, że innowacje w naukach materiałowych są trudne.
Do tej pory chemicy zajmujący się bateriami odkryli, że kiedy próbują poprawić jedną cechę (powiedzmy gęstość energii), muszą pójść na kompromis w kwestii innej cechy (powiedzmy bezpieczeństwa). Ten rodzaj balansowania oznaczał, że postęp na każdym froncie był powolny i najeżony problemami.
Ale z większą liczbą oczu na problem – Yet-Ming Chiang z Instytutu Technologii uważa, że obecnie w USA jest trzy razy więcej naukowców zajmujących się bateriami niż zaledwie 10 lat temu – szanse na sukces rosną. Potencjał baterii pozostaje ogromny, ale biorąc pod uwagę wyzwania, jakie stoją przed nami, lepiej spojrzeć na każde twierdzenie o nowych bateriach z dużą dozą sceptycyzmu.