Jeszcze nigdy tak wiele nie zależało od tak – zdawałoby się – „banalnego urządzenia” jakim jest nowoczesna bateria. Chodzi tutaj nie tylko o elektryfikację transportu, ale także uwolnienie pełnych możliwości odnawialnej energetyki, która wymaga tworzenia sprawnych magazynów energii na okres, kiedy nie wieje lub nie świeci słońce. Od marca mamy w Poznaniu iście grecką wiosnę więc myślę, że po pandemii i wojnie na Ukrainie na naszą listę zmartwień ze zdwojoną mocą wrócą zmiany klimatyczne. Bo to co przez moment cieszy jako bardzo ciepła wiosna za chwilę przerodzi się w susze, drożejącą żywność, pożary lasów i huragany. Przy czym to co w Polsce jest dużym problemem klimatycznym nieco bardziej na południe będzie katastrofą – głodu, powodzi i suszy – która wygeneruje „wędrówkę ludów” uciekających z miejsc, w których już się nie da żyć. Susza tylko zwielokrotni, wywołaną wojną na Ukrainie i działaniami Rosji, presję na wzrost cen żywności.
Bardziej wydajne i tańsze baterie są kluczem do szybkiej elektryfikacji transportu. Elektryczne samochody przestały być nowinką technologiczną. Jednak barierą dla ich popularności nadal pozostaje zbyt niski zasięg, zbyt wolne ładowanie i zbyt wysokie koszty tych pojazdów będące pochodną cen baterii. Te dwie pierwsze cechy – obok zbyt rzadkiej sieci ładowarek – przyczyniają się do swoistego „zasięgowego lęku” użytkowników. Przełom w zakresie elektryfikacji transportu wymaga, aby tani samochód elektryczny przejeżdżał swobodnie ok. 500 km, a jego luksusowa wersja dla bardziej zasobnych klientów ok. 900 km, ładowanie takiej baterii do 80% pojemności powinno trwać ok. 15 min, a jej wytrzymałość powinna pozwalać na przejechanie ponad 300.000 km w ciągu 12 lat. Dopiero w tych warunkach samochód elektryczny stanie się w pełni konkurencyjny w stosunku do spalinowego odpowiednika (zakładając istotną rozbudowę sieci ładowarek – np. na stacjach benzynowych, gdzie koncerny „żyjące” z przerobu ropy naftowej nie mają w tym dostatecznego interesu).
Wydajne baterie zdynamizują także elektryfikację zupełnie innych sfer transportu – np. lotnictwa regionalnego wykorzystującego elektryczne samoloty pionowego startu (eVTOL). Tego typu statki powietrzne budowane np. przez niemieckie Lilium czy amerykańskie Joby Aviation mają docelowo pozwolić na przewóz niewielkich grup osób przy kosztach porównywalnych do przejazdu samochodem elektrycznym. Co najważniejsze, nie wymagają one budowy wielkich lotnisk, gdyż startują pionowo. Barierą dla ich rozwoju jest jednak niedostateczny zasięg – ok. 220 km. Zwiększenie wydajności baterii o 50% i zasięgu do ok. 330 km pozwoliłoby na swobodne obsługiwanie istotnej części transportu regionalnego. Unijne analizy wskazują, że eVTOL mogą stać się atrakcyjną ekonomicznie zieloną alternatywą dla budowy nowych połączeń kolejowych, gdyż nie potrzebują torów, a jedynie małe lądowiska. Co ważne, eVTOL są stosunkowo ciche w porównaniu do spalinowych helikopterów, więc stacje takie mogłyby powstać nawet w centrach miast i miasteczek. Tak jak jestem sceptyczny czy przyszłością transportu w ramach miast będą „latające taxi” z uwagi na bezpieczeństwo, hałas i brak miejsca na dostateczną liczbę lądowisk to głęboko wierzę w wykorzystanie eVTOL na potrzeby budowy połączeń pomiędzy miastami i miasteczkami.
Aktualnie produkowane na rynku baterie litowo-jonowe nie są w stanie sprostać wspomnianym wyżej wymaganiom, przede wszystkim z uwagi ich zbyt małą gęstość energetyczną (ok. 280 Wh/KG i 700 Wh/L). Dotychczasowe badania wskazują, że modyfikacje składu chemicznego katody nie są w stanie przynieść oczekiwanego przełomu, a jedynie wpływają na koszt jej produkcji oraz właściwości (np. większa szybkość ładowania kosztem zmniejszenia zasięgu).
Kluczem do zwiększenia gęstości energetycznej baterii okazuje się konstrukcja anody i separatora pomiędzy katodą i anodą. Pewną poprawę parametrów baterii – rzędu 15 % – osiąga się poprzez zastąpienie grafitu w anodzie za pomocą specjalnie spreparowanego krzemu (tak np. najnowszy model 4680 produkowany przez Teslę i Panasonica). Jednak prawdziwy przełom obiecują dopiero baterie typu solid state, których założeniem jest całkowite pozbycie się materiału „goszczącego” w anodzie, który funkcjonuje jako swoisty „regał” czy „rusztowanie” gromadzące przepływające podczas ładowanie baterii jony litu.
Samo istnienie materiału goszczącego w anodzie zmniejsza gęstość energetyczną baterii, spowalnia jej ładowanie oraz zwiększa koszt produkcji. Konstruowanie baterii, której anoda składałaby się wyłącznie z czystego litu (po naładowaniu) wymaga jednak zmiany konstrukcji baterii – eliminacji elektrolitu przenikającego przez porowaty separator i zastąpienia go innym, stałym materiałem (stąd nazwa). W przypadku baterii opracowanych przez spółkę QuantumScape tego typu ceramiczny separator stanowi istotę ich innowacyjności. Pozwala na swobodny przepływ jonów litu, które na jego powierzchni w miarę ładowania tworzą warstwę litu i zapobiega tworzeniu się tzw. dendrytów, które zakłócają funkcjonowanie baterii. Na dodatek ceramiczny separator jest tworzywem niepalnym.
Baterie solid state nie są jak dotąd masowo produkowane. Od lat siedemdziesiątych stanowiły nieosiągalne marzenie naukowców pracujących nad nowymi typami baterii. Dzisiaj na rynku funkcjonuje co najmniej kilku producentów prezentujących prototypu takich baterii – np. QuantumScape, Solid Power czy SES. Prace nad bateriami solid state, ogłosiły także Toyota i Samsung, choć nie podają jakichkolwiek informacji na temat ich zaawansowania, używanej technologii czy parametrów. Niewątpliwie baterie solid state stały się modnym hasłem całej branży, choć w większości przypadków głównym osiągnięciem aspirujących producentów jak na razie wydaje się być pozbawiona szczegółów kolorowa prezentacja.
Spośród tych podmiotów liderem wydaje się być QuantumScape, którego rozwój od dawna wspiera założony przez Billa Gatesa fundusz Breakthrough Energy Ventures i Volkswagen. Spółka powstała w 2010 roku jako spin-out Uniwersytetu Stanforda. Jednowarstwowy prototyp komórki typu solid-state był już wielokrotnie prezentowany i testowany przez laboratoria VW oraz podmiotów trzecich. Bateria ta dysponuje gęstością energetyczną ok. 1000 Wh/L, pozwala na ładowanie do 80% w ciągu 15 min oraz wytrzymuje cykl ponad 800 ładowań w warunkach użytkowych (odpowiadających przebyciu ok. 240.000 mil) skutkujących spadkiem wydajności baterii o nie więcej niż 20%. QuantumScape zaprezentowała już jej kilkunastowarstwową wersję, a do końca roku dostarczyć ma pierwszemu klientowi użytkowy prototyp takiej baterii liczący kilkadziesiąt warstw. Wydaje się, więc że spółka ta dysponuje przełomową technologią – pytanie tylko czy będzie potrafiła ją przekuć na masowy produkt.
Elon Musk zwykł mawiać, że tworzenie prototypów jest proste, a dopiero masowa produkcja jest piekłem. Ten ostatni test QuantumScape dopiero musi zdać. Doświadczony zarząd, 1,3 mld USD na koncie oraz wysoka kultura pracy powinny w tym pomóc. Bez wątpienia spółka ma ten rzadki komfort, że już dziś ustawia się do niej kolejka potencjalnych klientów – od VW zaczynając, poprzez kilku innych producentów samochodów, a skończywszy na Fluence – wiodącym producencie magazynów energii. Dodatkowych pieniędzy na rozwój też im nie zabraknie bo mimo bessy w sektorze technologicznym rynek wycenia tę bezprzychodową na razie spółkę na ok. 5 mld USD. QuantumScape jest typem biznesu, których wciąż zbyt mało powstaje.
Fot: QuantumScape