Akumulatory półprzewodnikowe – 1200 km i 10 minut ładowania: kiedy ruszy masowa produkcja?

Niedawno, w latach 2014-2018, świat był świadkiem prawdziwego rozkwitu organizacji produkcji akumulatorów półprzewodnikowych (STA). Ponadto zarówno do sprzętu AGD, gadżetów, jak i samochodów elektrycznych.


Przykładowo w 2016 roku szef Fisker Inc (w tym roku ogłosiła upadłość) obiecał: samochody elektryczne dzięki TTA będą mogli przejechać 500 mil bez ładowania; po sześciu miesiącach liczba ta spadła do 400, a następnie 300 mil. Prezes Dyson J. Dyson zapewniał w 2017 roku, że jego firma pracuje nad akumulatorami półprzewodnikowymi od ponad dwóch lat. Nie odpowiedział jednak na pytanie, czy jego samochody elektryczne będą wyposażone w TTA, którego premiera planowana jest na 2021 rok. Jesienią 2019 roku projekt został przerwany.


Najdalej posunęli się jednak Chińczycy: w 2018 roku jeden z liderów startupu Qing Tao Energy Development Co publicznie ogłosił, że w Kunshan uruchomiono linię produkcyjną do produkcji TTA. W projekt zainwestowano 144 miliony dolarów. Do 2020 roku przepustowość linii powinna osiągnąć 700 MWh rocznie. Oznacza to, że wyprodukowane akumulatory wystarczą na około 14 tysięcy pojazdów elektrycznych. Ale na dzień dzisiejszy nic nie słychać o wynikach.


Przedstawiciele koncernów VW, BMW i Toyoty byli wówczas bardziej ostrożni w swoich wypowiedziach. Pierwszy mówił o masowej produkcji TTA nie wcześniej niż w 2025 roku. Inwestycje wyniosły 100 milionów dolarów. Bawarski producent samochodów zawarł umowę ze start-upem Solid Power (USA). Hyundai poinformował, że opracowuje projekt organizacji produkcji TTA, ale nie podano żadnych terminów.


Od tego czasu intensywność namiętności nieco opadła, a pandemia „zrobiła swoje”. Jednak zainteresowanie produkcją akumulatorów energochłonnych nie osłabło. Porozmawiamy o tym później, ale najpierw warto dowiedzieć się, co to za „bestia” – akumulatory półprzewodnikowe. Elektrolity nieciekłe były znane już w XIX wieku. Jednak duże zainteresowanie nią odnowiło się dopiero na przełomie wieków obecnych i poprzednich.

Baterie półprzewodnikowe prostymi słowami

Do ich produkcji wykorzystywana jest specjalna technologia, która nazywa się: Solid-State Battery. Przetłumaczone z angielskiego - „akumulator o solidnym korpusie”. Główną różnicą pomiędzy TTA a jego poprzednikami jest zastosowanie elektrolitu, który jest materiałem kompozytowym (polimerowym). Najczęściej są to siarczki, tlenki nieorganiczne lub ceramika. Każdy programista ma swoją własną formułę, którą utrzymuje w tajemnicy.


W akumulatorach litowo-jonowych stosuje się ciecz, żele lub impregnaty. Ale zasada działania akumulatorów półprzewodnikowych jest taka sama: podczas ładowania jony przechodzą z katody na anodę (może być wykonana z litu) (jej rolę odgrywa powietrze, metal lub siarka), a gdy pojemność jest zużyte, odwrotnie. Ruch cząstek odbywa się poprzez elektrolit. Oceńmy zalety i wady akumulatorów półprzewodnikowych.

Lepsza gęstość energii i szybsze uzupełnianie

W porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych, TTA są w stanie przechowywać większą pojemność na jednostkę objętości (wagi). Mówiąc najprościej, akumulator półprzewodnikowy o tej samej masie i wymiarach zapewni samochodowi elektrycznemu duży zasięg (wzrost przebiegu wyniesie 20-30%). A jeśli wziąć pod uwagę dystans pokonany przez samochód z akumulatorem litowo-jonowym, to taki sam dystans gwarantuje TTA przy znacznie mniejszych gabarytach i wadze.


Baterie półprzewodnikowe ładują się szybciej niż ich odpowiedniki litowo-jonowe. Chodzi o lepszą przewodność prądu elektrycznego, co zgodnie z prawem Ohma wiąże się z mniejszym oporem wewnętrznym. Warto bardziej szczegółowo zastanowić się nad nowoczesnymi osiągnięciami w zakresie szybkości ładowania akumulatora.

Kto jest najbliżej masowej produkcji TTA?

Jesienią ubiegłego roku Toyota ogłosiła, że ​​firma we współpracy z Idemitsu (japońskim koncernem naftowym) dokonała „przełomu” technologicznego i jest gotowa rozpocząć masową produkcję TTA w 2027 roku. Dzięki nowemu akumulatorowi zasięg pojazdów elektrycznych sięgnie 1200 km, a czas ładowania skróci się do 10 minut. Japoński producent samochodów opracowuje akumulatory półprzewodnikowe od 2006 roku.


Już tej jesieni przedstawiciel tajwańskiej firmy ProLogium Technology zapowiedział powstanie pierwszego na świecie akumulatora z kompozytową anodą krzemową. Bateria uzupełnia swoją pojemność o 60% w ciągu 5 minut. To wystarczy, aby samochód elektryczny przejechał około 300 km.


Akumulator półprzewodnikowy został zademonstrowany w październiku tego roku w Paryżu na corocznych targach motoryzacyjnych. Na targach przedstawiciel ProLogium Technology powiedział, że „od 2023 roku wyprzedzamy konkurencję” pod względem zwiększania gęstości energii akumulatorów i szybkości ładowania.


Nie ma jednak żadnych doniesień na temat rozpoczęcia masowej produkcji ani ceny nowego produktu. Można również zwrócić uwagę na Nissan Motor, który obiecał rozpocząć produkcję własnych akumulatorów półprzewodnikowych na dużą skalę w 2028 roku. Z kolei w Chinach na szczeblu państwowym wprowadzono plan CASIP, przewidujący wprowadzenie TTA do produkcji liniowej do 2030 roku.

Niski koszt i bezpieczeństwo

Pierwsza zaleta wiąże się z mniejszym zużyciem drogich komponentów, takich jak kobalt. Bateria półprzewodnikowa składa się z bardzo niewielu elementów: brakuje separatorów i niektórych innych elementów. Baterie litowo-jonowe mają większy rozmiar i wagę. TTA nie wymagają chłodzenia, mają dłuższą żywotność i są mało podatne na zużycie podczas ciągłego ładowania i rozładowywania.


Akumulatory takie stwarzają mniejsze zagrożenie dla środowiska niż akumulatory litowo-jonowe. Te ostatnie zawierają związki fluoru, które mogą zostać uwolnione w przypadku uszkodzenia lub nawet przeciążenia akumulatora. Ponadto TTA mają bardzo niski poziom samorozładowania, nie eksplodują ani nie zapalają się: elektrolit nie może się z nich wylać. Na tym kończą się zalety innowacyjnych akumulatorów, ale co z wadami?

Wady TTA

Pierwszym problemem jest złożoność produkcji: produkty wymagają zastosowania precyzyjnych technologii. Konieczne jest zastosowanie stałego elektrolitu o jednorodnej strukturze, który zapewnia wymaganą gęstość. Najmniejsze zanieczyszczenia gwałtownie zmniejszają niezawodność i wydajność produktów.

Kolejną wadą, nad którą obecnie aktywnie pracujemy, jest duża wrażliwość na tlen, wilgoć i niskie temperatury. W zimnym klimacie pojawią się problemy z TTA: wydajność spadnie. Baterie będą musiały zostać podgrzane lub konieczne będzie opracowanie produktów z innym elektrolitem stałym. Jest jeszcze jedna wada - brak światowych standardów. Może to stać się przeszkodą w kompatybilności różnych typów TTA z konkretnymi modelami samochodów elektrycznych.


Niezbędna jest współpraca pomiędzy producentami TTA a agencjami rządowymi, firmami samochodowymi i innymi zainteresowanymi stronami. Warto jednak powiedzieć: dziś nie zbadano jeszcze wszystkich zalet i wad akumulatorów półprzewodnikowych, ponieważ nie ma długoterminowego doświadczenia w ich stosowaniu.

Wnioski i uogólnienia

Wiodący producenci samochodów produkujący seryjnie samochody elektryczne nie mają wątpliwości, że TTA to przyszłość. Pośrednio świadczą o tym poważne inwestycje w projekty TTA. Jak pisaliśmy powyżej, Toyota jest najbliżej wdrożenia masowej produkcji ze swoimi planami na lata 2025-27.


Na ten sam moment wskazuje VW, który zainwestował w amerykańską firmę QuantumScape opracowującą akumulatory ceramiczne. Hyundai, Kia, Mercedes, Stellantis preferowały Factorial Energy (USA), firmę produkującą akumulatory półprzewodnikowe na bazie polimerów. Możemy podsumować: wielu czołowych producentów samochodów na świecie jest przekonanych, że jeszcze przed 2030 rokiem na rynku pojawią się pojazdy elektryczne wyposażone w seryjne TTA.