Akumulatory trakcyjne: jak z ich rozwojem radzą sobie producenci samochodów? Co przyniesie przyszłość?

Według badania serwisu OTOMOTO.PL, przeprowadzonego przez Minds & Roses, główną kwestią stojącą na przeszkodzie kupna pojazdu elektrycznego jest cena. Tak uważa 58% badanych. Wśród najbardziej nurtujących kwestii pojawiają się też pytania o żywotność akumulatorów i dystans, który można pokonać na jednym ładowaniu. Wydajniejsze i tańsze baterie mogą być „gamechangerem” całego sektora.

Zasięg – Święty Graal i języczek uwagi elektromobilności

O zasięgu samochodu elektrycznego decydują dwa główne czynniki: realne zużycie energii przez pojazd i ilość energii zgromadzonej w bateriach. W zakresie niskiego zużycia energii dobre wieści płyną z Monachium (lub raczej ze Stuttgartu).

Podczas tegorocznego IAA w Monachium, Mercedes zaprezentował koncepcyjnego Mercedesa CLA. Pojazd będzie zbudowany na platformie MMA z wykorzystaniem architektury 800V. Jednak tym, co zaskoczyło ekspertów, jest jego spodziewana wydajność. Według zapowiedzi (oby się potwierdziły w wersji produkcyjnej), samochód ma być ekstremalnie efektywny: sprawność energetyczna napędu „od baterii do kół” to 93%, a zapowiadane zużycie energii oscyluje wokół 12 kWh/100 km – donosi portal elektromobilni.pl.

Jeśli eksploatacyjne zużycie energii będzie na takim poziomie, to nowe dzieło sztuki inżynierskiej ze Stuttgartu zdetronizuje dotychczasowego króla oszczędności – Teslę Model 3 Standard Range Plus – której zapotrzebowanie to około 14-15 kWh/100 km. Samochód ma mieć zasięg do 750 km (według cyklu WLTP).

Mercedes zapowiada wykorzystanie w bateriach dwóch składów chemicznych ogniw: w pierwszym przypadku anoda będzie oparta o tlenek krzemu, co daje nadzieje dużej gęstości energii. W drugim przypadku będzie to konwencjonalna chemia litowo-żelazowo-fosforanowa. Łączenie ogniw ma być wykonane metodą klejenia (a nie skręcania), co obniży masę i zwiększy sztywność pakietu.

Wydajność i cena baterii: nowe technologie baterii

Aby zwiększyć zasięg pojazdu, można budować coraz większe baterie, które zmieszczą więcej energii. Niestety ta droga ma swoje ograniczenia. Przede wszystkim duża bateria zajmuje znaczną ilość miejsca i drastycznie podnosi masę pojazdu.

Koncern Stellantis zaprezentował prototyp akumulatora pojazdu elektrycznego, który integruje w modułach funkcje falownika i ładowarki. To rozwiązanie oszczędza masę i przestrzeń w pojeździe elektrycznym i pozwala na obniżenie kosztów. Dodatkowa przestrzeń może być wykorzystania do zabudowania większej baterii, co ostatecznie zwiększy zasięg pojazdu.

Stellantis wraz z należącą do TotalEnergies firmą Saft. zajmującą się rozwiązaniami akumulatorowymi, współpracowały przez cztery lata z francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych (CNRS) nad projektowaniem, modelowaniem i symulacją tej technologii. Wspólny projekt badawczy nosi nazwę Inteligentny Zintegrowany System Baterii (IBIS) – jego prototyp działa od lata 2022 r.

Wydajność i cena baterii: akumulatory NMC kontra LFP

Obecnie na rynku wykorzystywane są dwie główne technologie litowo-jonowe akumulatorów do pojazdów elektrycznych: akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LFP) i akumulatory litowe NMC/NCA. W technologii NMC elektroda dodatnia składa się z niklu, manganu i kobaltu w różnych proporcjach. Elektroda ujemna jest grafitowa. To technologia o wysokiej gęstości energii.

Ogniwa LFP cechują się wyższym poziomem bezpieczeństwa i wykorzystują powszechniejsze (tzn. łatwiej dostępne i tańsze) żelazo i fosfor, zamiast kobaltu, manganu i niklu. Ich wadą jest jednak wolniejsze ładowanie w niskich temperaturach w porównaniu do NMC.

Jak przekazał Bartłomiej Derski z redakcji wysokienapiecie.pl, koncern BMW w nowych modelach będzie montował zarówno ogniwa LFP jak i NMC, jednak pakiety będą miały poprawioną chemię i nowe rozwiązania w zakresie optymalizacji wielkości i masy (m.in. cylindryczne cele zamiast prostopadłościennych).

Solid state – całkowicie półprzewodnikowe akumulatory ze stałym elektrolitem

Od wielu lat co najmniej kilka firm, w tym najwięksi potentaci, jak Samsung czy Panasonic, zapowiadają rewolucję w technologii akumulatorów. Baterie półprzewodnikowe, czyli solid state, to pakiety niekorzystające z ciekłego elektrolitu i zbudowane m.in. z elementów ceramicznych.

Piewcy technologii zapowiadają znacznie wyższą gęstość energetyczną (a przez to większy zasięg) i znacznie szybsze ładowanie (od 0 do 80% naładowania w 15 minut). Dodatkowo stały elektrolit ma zdecydowanie wyższe parametry w zakresie ochrony przeciwpożarowej (TUTAJ przeczytasz od czego zależy szybkość ładowania).

Wymienione zalety wynikają z zastosowania stałego (zamiast płynnego) elektrolitu pełniącego funkcję separatora pomiędzy anodą a katodą. Toyota w 2020 roku zapowiadała wprowadzenie technologii do produkcji w 2022 roku, jednak ostatni oficjalny komunikat informuje, że pierwszy samochód z tego typu źródłem energii wejdzie do produkcji w 2027 roku.

Semi-Solid state – półprzewodnikowe akumulatory z pół-stałym elektrolitem

W pełni półprzewodnikowe baterie z całkowicie stałym elektrolitem to pieśń przyszłości, jednak chińskie Nio wprowadziło na rodzimym rynku baterię 150 kWh w technologii semi-solid state, czyli wariant pośredni z półstałym elektrolitem. Ogniwa powinny mieć gęstość energetyczną około 360 Wh/kg, co jest fenomenalną wartością, bo dla porównania baterie sodowo-jonowe mają zazwyczaj 110-160 Wh/kg, litowo-jonowe LFP około 160-175 Wh/kg, LMFP około 195-240 Wh/kg, a większość litowo-jonowych NCA/NCM w granicach wartości 240-300 Wh/kg.

Bateria 150 kWh waży jedynie 575 kg, co robi wrażenie, zważywszy, że pakiet 100 kWh ma masę 555 kg (20 kg różnicy). Bateria zapewnia ogromny zasięg, w sprzyjających okolicznościach nawet do 900 km. Idealne rozwiązanie? Niestety koszt samej baterii 150 kWh to około 38 tys. euro, co stanowi lwią część ceny samochodu.

Konkurencja cenowa w sektorze BEV jest coraz bardziej zaciekła, więc żaden producent nie może sobie pozwolić na pozycjonowanie cenowe wysoko ponad konkurencję. Rozwiązaniem jest model wynajmu baterii z miesięczną subskrypcją bez konieczności jej zakupu. Dodatkowo Nio oferuje możliwość wymiany baterii w automatycznych stacjach wymiany. Sam proces wymiany trwa poniżej 5 minut, jest w pełni automatyczny, stacje wymiany są dostępne 7 dni w tygodniu przez 24 godziny na dobę a wymiana jest bezpłatna (płacimy tylko za energię w baterii).

Wydajność i cena baterii: podsumowanie

Producenci szukają sposobów na podniesienie zasięgu przy jednoczesnej kontroli kosztów produkcji i zabezpieczeniu się przed ryzykiem braku dostępu do rzadkich pierwiastków. Taką drogę obiera BMW, które wprawdzie zapowiada użycie półprzewodnikowych baterii w przyszłości, ale w tej chwili skupia się na optymalizacji znanej technologii litowo-jonowej NMC i LFP (TUTAJ przeczytasz o metalach krytycznych).

Mercedes również pozostaje przy tradycyjnych technologiach bateryjnych (optymalizując je) swoją szansę widząc w obniżeniu zużycia energii przez pojazd. Inni producenci jak np. Toyota zapowiadają pełne przejście na wydajną i bezpieczną (ale drogą) technologię półprzewodnikową. Nio ze swoją półprzewodnikową baterią z półstałym elektrolitem wybiera drogę pośrednią, ale dzięki temu bateria o pojemności 150 kWh weszła już do produkcji w Chinach.

Nie bez znaczenia jest też geopolityka i specyfika rynku pierwiastków ziem rzadkich (pierwiastków wbrew określeniu jest pod dostatkiem – przyp. red.). Przywódcy z regionu Europy i USA niechętnym okiem patrzą na chińską hegemonię w obszarze produkcji i rozwoju akumulatorów szukając sposobów na zapewnienie bezpieczeństwa i ciągłości produkcji baterii poza terytorium Chin.