Επανάσταση στις Μπαταρίες Φέρνει τις Σταθερές-Κατάσταση Παραλλαγές Ένα Βήμα Πλησιέστερα στην Πραγματικότητα

Σταθερές-Κατάσταση Μπαταρίες για την Κυριαρχία στα Ηλεκτρικά Οχήματα

Ενώ οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων έχουν γίνει η κυρίαρχη λύση για τα συστήματα μπαταριών των ηλεκτρικών οχημάτων, αντιμετωπίζουν ορισμένους περιορισμούς.

Ένα από αυτά είναι η ακόμη μη εξαιρετική ενεργειακή πυκνότητα, ενώ ένα άλλο είναι ένα ζήτημα ασφαλείας που συνδέεται με την ανάπτυξη ντεντριτών που διατρυπώνουν τη μπαταρία και το ηλεκτρολύτη που μερικές φορές μπορεί να πυρπολήσει.

Πηγή: Nobel Prize

Αναμένεται ότι και τα δύο προβλήματα θα μετριαστούν με τις μπαταρίες στερεής κατάστασης, οι οποίες εξαλείφουν την ανάγκη για ηλεκτρολύτες και τον κίνδυνο ντεντριτών.

Η Toyota προβλέπει τη χρήση αυτών των μπαταριών στερεής κατάστασης έως το 2027, και συνολικά φαίνεται ένας ισχυρός υποψήφιος για το μέλλον της κινητικότητας.

Παρόλα αυτά, παραμένει ένα ζήτημα, κυρίως με τον ηλεκτρολύτη τύπου γαρνίτη, γνωστό και ως Li7La3Zr2O12 ή LLZO (βλέπε παρακάτω).

Καλή είδηση είναι ότι τέσσερις ερευνητές από το Πανεπιστήμιο McGill στον Καναδά ανακοίνωσαν ότι δημιούργησαν ένα νέο σχέδιο LLZO που μπορεί να παραδώσει αυξημένη ποσότητα ενέργειας. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Cell Reports Physical Science σε ένα άρθρο με τίτλο “4,8‑V μπαταρίες λιθίου‑μετάλλου βασισμένες σε γαρνίτη με πλήρη στερεό κράτος και σταθερή διεπαφή“.

Σταθερός Ηλεκτρολύτης

LLZO

Συνήθως λέγεται ότι οι μπαταρίες στερεής κατάστασης δεν χρειάζονται ηλεκτρολύτες. Αυτό είναι τεχνικά σωστό όταν αναφερόμαστε στον υγρό ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται συνήθως στις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων.

Ωστόσο, φυσικά, κάθε μπαταρία χρειάζεται κάποιον τύπο γέφυρας μεταξύ του άνοδο και του καθόδου για να λειτουργήσει. Υπάρχουν τρεις τύποι στερεών ηλεκτρολυτών (SEs): κεραμικοί, πολυμερικοί και σύνθετοι SEs (CSEs).

Οι σύνθετοι στερεοί ηλεκτρολύτες (CSEs) συνδυάζουν πολυμερικό SE με ιοντικά αγώγιμα ανόργανα συμπληρώματα όπως το Li7La3Zr2O12 (LLZO) για να διευκολύνουν τη μεταφορά ιόντων λιθίου.

Ενώ αυτή η μέθοδος είναι ιδανική για λειτουργία υψηλής τάσης σε πυκνές μπαταρίες, υποφέρει από κακή επαφή με τον ηλεκτρόδιο, μειώνοντας τη συνολική απόδοση.

Πορώδης LLZO

Αυτό που ανακάλυψαν οι ερευνητές είναι ότι το LLZO μπορεί να κατασκευαστεί ως πορώδης κεραμική μεμβράνη, αντί της συνηθισμένης στερεής πλάκας. Σε πιο τεχνικούς όρους:

Εδώ, σχεδιάζουμε έναν υψηλής αγωγιμότητας και φιλικό προς τη διεπαφή γαρνίτη‑βασισμένο σύνθετο στερεό ηλεκτρολύτη (CSE) που αποτελείται από ένα κυβικό πλέγμα Li6.1Al0.3La3Zr2O12 πορώδους πλαισίου και πολυφθοριούχο βινυλενίου (PVDF) με τρισδιάστατη συνεχόμενη δομή.

Οπτικά, αυτό μεταφράζεται σε μια πολύπλοκη 3Δ δομή γεμάτη μικρές οπές σε μικροσκοπική κλίμακα:

Πηγή: Cell

Αυτό δημιουργεί μεγάλη επιφάνεια επαφής για τα ιόντα λιθίου, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει ισχυρή προσκόλληση στο ηλεκτρόδιο.

Πηγή: Cell

Πιο Σταθερές & Ανθεκτικές Μπαταρίες

Οι μπαταρίες στερεής κατάστασης είναι συνολικά πολύ πιο ισχυρές και ενεργειακά πυκνές από τις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων. Ωστόσο, ήταν δύσκολο να παραχθούν σε κλίμακα ώστε να αντέχουν σε πολλούς κύκλους φόρτισης‑αποφόρτισης χωρίς απώλεια χωρητικότητας.

Έτσι, οι ερευνητές προχώρησαν σε δοκιμές των μπαταριών για να δουν αν η διεπαφή του ηλεκτροδίου που δημιούργησαν ήταν τόσο ανθεκτική όσο αναμενόταν.

Μετά από 200 κύκλους, την μελέτησαν υπό μικροσκόπιο και δεν βρήκαν ίχνη φθοράς, όπως ρωγμές, αποκόλληση κ.λπ.

Πηγή: Cell

Συνολικά, το πρωτότυπο της μπαταρίας δείχνει εξαιρετική αντοχή, ιδιαίτερα ενάντια στη δημιουργία ντεντριτών.

Li‑Li συμμετρικά κύτταρα βασισμένα στον κεραμικό CSE μπορούν να λειτουργούν σταθερά για 1.000 ώρες στα 0,1 και 0,5 mA cm−2, υποδεικνύοντας εξαιρετική ηλεκτροχημική σταθερότητα έναντι του μετάλλου λιθίου και ακόμη και της εναπόθεσης Li⁺ (καταστολή ντεντριτών).

Καλύτερο Προφίλ Ασφάλειας

Η δραστικά μειωμένη δημιουργία ντεντριτών, καθώς και η απουσία εύφλεκτων ηλεκτρολυτών, θα πρέπει να αυξήσουν σημαντικά την ασφάλεια των μπαταριών λιθίου.

Επειδή το πάχος του κεραμικού CSE είναι μόλις 125 μm, αυτή η τεχνολογία είναι επίσης πολύ ανταγωνιστική για τη δημιουργία εξαιρετικά ενεργειακά πυκνών μπαταριών στερεής κατάστασης.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι, αν και δεν είναι απλή, η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του βελτιωμένου LLZO δεν απαιτεί σπάνια μέταλλα, σπάνιες μηχανές ή πολύπλοκα βήματα που είναι εκτός του συνηθισμένου στην παραγωγή μπαταριών.

Πηγή: Cell

Συνολικά, αυτό αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για την περαιτέρω ενίσχυση των χαρακτηριστικών των μπαταριών στερεής κατάστασης σε όλους τους κρίσιμους τομείς: σταθερότητα, ασφάλεια, ενεργειακή πυκνότητα και ευκολία παραγωγής.

Κερδίζουν οι Σταθερές-Κατάσταση Μπαταρίες;

Δεν σημαίνει ότι οι μπαταρίες στερεής κατάστασης είναι σίγουρα το νέο πρότυπο για τις μπαταρίες EV τα επόμενα χρόνια.

Οι μπαταρίες λιθίου‑ιόντων ίσως μπορούν επίσης να ανταγωνιστούν. Αυτό συνδέεται κυρίως με βελτιώσεις στο σχεδιασμό, με παρόμοιες νανοπορές που βοηθούν στη μείωση της δημιουργίας ντεντριτών.

Ιδιαίτερα, οι μπαταρίες honeycomb που αναπτύσσει ο παγκόσμιος ηγέτης κατασκευής μπαταριών CATL ενδέχεται να φτάσουν σε προφίλ ασφαλείας και ενεργειακή πυκνότητα παρόμοια με κάποιες μπαταρίες στερεής κατάστασης.

Συνολικά, φαίνεται ότι μια βαθύτερη κατανόηση των υλικών μπαταριών, ειδικά σε μικρο‑ και νανο‑κλίμακα, και η χρήση νανοπορών θα είναι ο δρόμος προς τη συνεχή βελτίωση των επιδόσεων των μπαταριών και την εξάλειψη του κινδύνου ντεντριτών.

Επένδυση στην Τεχνολογία Μπαταριών

Οι μπαταρίες λιθίου έχουν ήδη αλλάξει τον κόσμο πολλές φορές, επιτρέποντας στους ανθρώπους να μεταφέρουν προηγμένα ηλεκτρονικά παντού και να τροφοδοτούν αυτοκίνητα μόνο με ηλεκτρισμό.

Μπορεί να το κάνουν ξανά, ή άλλοι τύποι μπαταριών, επιτρέποντας ένα 100 % ανανεώσιμο δίκτυο ενέργειας ή την ηλεκτροκίνηση των αεροπλάνων όταν επιτευχθεί αρκετή ενεργειακή πυκνότητα.

Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες σχετικές με μπαταρίες μέσω πολλών χρηματιστών, και εδώ, στο securities.io, βρίσκετε τις προτάσεις μας για τους καλύτερους χρηματιστές στην ΗΠΑ, στον Καναδά, στην Αυστραλία, στην Η Βρετανία, καθώς και σε πολλές άλλες χώρες.

Αν δεν σας ενδιαφέρει η επιλογή συγκεκριμένων εταιρειών μπαταριών, μπορείτε επίσης να εξετάσετε ETFs βιοτεχνολογίας όπως το Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), το Lithium & Battery Tech ETF (LIT) της Global X, ή το WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), που παρέχει πιο διαφοροποιημένη έκθεση για να εκμεταλλευτείτε την αυξανόμενη βιομηχανία μπαταριών.

Εταιρείες Σταθερής-Κατάστασης

Αναμενόταν ότι θα είναι μία από τις πρώτες εταιρείες που θα φέρει τις μπαταρίες στερεής κατάστασης στην αγορά· η QuantumScape (QS ) βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης αυτής της τεχνολογίας.

Οι μπαταρίες QuantumScape χρησιμοποιούν μέταλλο λιθίου, μπαταρίες χωρίς άνοδο.

Οι μπαταρίες χωρίς άνοδο αποθηκεύουν τα ιόντα σε μια ηλεκτροχημική εναπόθεση αλκαλικού μετάλλου απευθείας στον συλλέκτη ρεύματος. Αυτό επιτρέπει υψηλότερη τάση κυψέλης, χαμηλότερο κόστος κυψέλης και αυξημένη ενεργειακή πυκνότητα.

Πηγή: QuantumScape

(συζητήσαμε επίσης το concept των μπαταριών χωρίς άνοδο στο πλαίσιο των νατριούχων μπαταριών στο άρθρο “Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Could Reduce Reliance on the ‘Lithium Triangle’”).

Η QuantumScape όμως έχει συχνά καθυστερήσει την προβλεπόμενη ημερομηνία μαζικής παραγωγής των μπαταριών της, μειώνοντας τον αρχικό ενθουσιασμό των επενδυτών για την εταιρεία.

Αυτό μπορεί να αλλάξει με μερικές βασικές εξελίξεις το 2023 & 2024:

• Βελτίωση στη συνοχή και την ποιότητα της παραγωγής.
• Βελτίωση στο σχεδιασμό συσκευασίας, συμπεριλαμβανομένων στενότερων εσωτερικών περιθωρίων, λεπτότερων συλλεκτών ρεύματος και πιο λεπτής κατασκευής.
• Αποστολή μονάδων κυψελών υψηλής φόρτωσης καθόδου σε συνεργάτες OEM αυτοκινήτων.
• Ανακοίνωση της κυκλοφορίας του QSE‑5, του πρώτου εμπορικού προϊόντος της εταιρείας, με προοπτική πελάτη λανσαρίσματος στον τομέα αυτοκινήτων.

Συνολικά, η QuantumScape φαίνεται κατά πολύ η εταιρεία στερεής κατάστασης με την πιο ώριμη τεχνολογία, ιδιαίτερα όσον αφορά την ανθεκτικότητα της μπαταρίας.

Πηγή: QuantumScape

Συμφωνία με τη Volkswagen

Πιο σημαντικό, η εταιρεία δείχνει πραγματική πρόοδο στην εγκαθίδρυση συνεργασίας με τη Volkswagen, τον δεύτερο μεγαλύτερο κατασκευαστή αυτοκινήτων στον κόσμο.

Τον Ιούλιο του 2024, η QuantumScape υπέγραψε με τη Volkswagen μια συμφωνία συνεργασίας για την κατασκευή κυψελών μπαταριών βασισμένων στο σχέδιο QSE‑5.

Η άδεια θα επιτρέψει στην PowerCo να κατασκευάζει και να πουλάει αυτοκινητοβιομηχανικές μπαταρίες έως 40 GWh ετησίως, με δυνατότητα επέκτασης κατά ακόμη 40 GWh.

Πρόκειται για μη αποκλειστική, δικαιούται δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας άδεια, που επιτρέπει στην QuantumScape να συνεχίσει τις πωλήσεις σε οποιονδήποτε άλλον ενδεχόμενο πελάτη.

Ίσως πιο σημαντικό για την ηρεμία των επενδυτών, η συμφωνία θα δώσει επίσης αρχική αμοιβή δικαιωμάτων ύψους 130 εκατομμυρίων δολαρίων, που θα πιστωθεί έναντι μελλοντικών δικαιωμάτων, πληρωμένη από την PowerCo, θυγατρική μπαταριών της Volkswagen.

Αυτό προσφέρει στην εταιρεία επιπλέον 18 μήνες ρευστότητας σε σύγκριση με τις προηγούμενες προβλέψεις, φτάνοντας καλά το 2028.

Αποτελεί επαρκή χρόνο για την κλιμάκωση της παραγωγής και την έναρξη καταγραφής σταθερών εσόδων.

Έτσι, εφόσον οι μπαταρίες QuantumScape αποδώσουν επαρκώς, θα πρέπει να βρουν τη θέση τους στην αγορά παράλληλα με μπαταρίες που κατασκευάζονται από μεγαλύτερες εταιρείες όπως η CATL, η BYD και η Panasonic.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι η Volkswagen πιθανότατα έχει δοκιμάσει εκτενώς τα δικά της πρωτότυπα QuantumScape και έχει μελετήσει την κλιμάκωση της παραγωγής, η πρόσφατη συμφωνία φαίνεται ως ισχυρή ενίσχυση της τεχνολογίας της εταιρείας.

Πηγή: QuantumScape

Επιπλέον, η παράλληλη προθεσμία του 2027 της Toyota για την εμπορευματοποίηση των μπαταριών στερεής κατάστασης φαίνεται να υποδεικνύει ότι, μετά από πολλές ψευδείς εκκινήσεις, η τεχνολογία φτάνει τώρα σε σημείο ωριμότητας.