Ενέργεια
Η εργασία συνεχίζεται στις στερεές μπαταρίες καθώς οι ερευνητές εστιάζουν στα βασικά
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Οι στερεές μπαταρίες, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε smartphones, εργαλεία τροφοδοσίας και ηλεκτρικά οχήματα, διαφέρουν από τις μπαταρίες Li-ion στη χρήση ηλεκτρολυτών. Ενώ μια μπαταρία Li-ion χρησιμοποιεί υγρό ηλεκτρολύτη, μια στερεή μπαταρία χρησιμοποιεί στερεό ηλεκτρολύτη.
Στις μπαταρίες Li-ion υπάρχει ένας διαχωριστής για να διατηρεί το κάθοδο και το άνοδο χωριστά. Στις στερεές μπαταρίες, ο στερεός ηλεκτρολύτης λειτουργεί επίσης ως διαχωριστής.
Αν και αυτά είναι απλώς διακριτικά χαρακτηριστικά, η επιστημονική και τεχνολογική κοινότητα ανέπτυξε στερεές μπαταρίες επειδή προσφέρουν βελτιωμένη σταθερότητα με στερεή δομή και αυξημένη ασφάλεια. Συνεχίζουν να εργάζονται πάνω σε αυτές, καθώς οι μπαταρίες διατηρούν τη μορφή τους ακόμη και αν ο ηλεκτρολύτης υποστεί ζημιά.
Μια στερεή μπαταρία προσφέρει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και σχεδόν δεν διατρέχει κίνδυνο έκρηξης ή πυρκαγιάς. Δεδομένου ότι δεν απαιτεί πρόσθετα ασφαλείας, υπάρχει περισσότερος χώρος για την ένταξη ενεργών υλικών, αυξάνοντας τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Η βελτιωμένη ενεργειακή πυκνότητα εξασφαλίζει επίσης ότι η ανάγκη για μπαταρίες παραμένει χαμηλή, οδηγώντας σε ένα βέλτιστο σύστημα μπαταριών EV για το μονάδα και το πακέτο.
Για αυτά τα οφέλη, κυρίως, οι ειδικοί της αγοράς πιστεύουν ότι οι στερεές μπαταρίες θα αποτελέσουν καθοριστικό παράγοντα, επιτρέποντας στα EV να ανταγωνιστούν τα ICEV και, τελικά, να προχωρήσουν στον αγώνα. Ωστόσο, αυτό δεν εμποδίζει τους ερευνητές να εξερευνούν πώς οι στερεές μπατρίες μπορούν να γίνουν πιο χρήσιμες. Σε μια τέτοια έρευνα, οι επιστήμονες έχουν προτείνει την περίπτωση μιας στερεής μπαταρίας υπερλεπτής λιθίου με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, ενεργοποιημένη από έναν ανθεκτικό σε Li2CO3 τύπο γαρνιτού στερεού ηλεκτρολύτη.
Αν και όλα αυτά μπορεί να ακούγονται πολύ τεχνικά, στο επόμενο τμήμα θα εμβαθύνουμε στην κατανόηση του τι προσπαθεί να πετύχει η έρευνα!
Δυνατότητα μιας υπερλεπτής πλατφόρμας στερεής μπαταρίας λιθίου με υψηλή σταθερότητα και ενεργειακή πυκνότητα
Ο καθηγητής Byoungwoo Kang και η Δρ. Abin Kim από το Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο POSTECH ανέπτυξαν έναν στερεό ηλεκτρολύτη που επιτρέπει μια υπερλεπτή πλατφόρμα στερεής μπαταρίας λιθίου με υψηλή σταθερότητα και ενεργειακή πυκνότητα.
Η επανάσταση έφερε αποτελέσματα λύνοντας μία από τις πιο κοινές ανησυχίες που αντιμετωπίζουν οι στερεές μπαταρίες. Ποιο ήταν το πρόβλημα και πώς θα μπορούσε να λυθεί; Ας το εξετάσουμε λεπτομερώς παρακάτω!
Το Ζήτημα LLZO
Ο τύπος στερεού ηλεκτρολύτη γαρνιτού που χρησιμοποιείται σε στερεές μπαταρίες, γνωστός επίσης ως Li7La3Zr2O12 ή LLZO, διαθέτει υψηλή ιοντική αγωγιμότητα. Ταυτόχρονα, είναι πολύ αντιδραστικός και σχηματίζει ένα στρώμα μόλυνσης (Li2CO3) στην επιφάνειά του όταν εκτίθεται στον αέρα. Αυτό το στρώμα προκαλεί διάφορα μειονεκτήματα ή εμπόδια, όπως η δημιουργία αντιστατικού φραγμού στην κατασκευή του κελιού, η μείωση των επαφών και των διασυνοριακών ιδιοτήτων των ηλεκτρολυτών και των αντιδρώντων, κ.λπ.
Η καινοτομία αντιμετώπισε αυτό το εμπόδιο και το αντιστρέφει εστιάζοντας στα εγγενή βασικά στοιχεία αντί να αναζητά εξωτερική λύση. Οι ερευνητές ανέπτυξαν την τεχνολογία LLZO που μπορεί να χειριστεί στον αέρα (AH-LLZO), η οποία μπορεί ταυτόχρονα να βελτιώσει τις επιφανειακές και εσωτερικές ιδιότητες του LLZO και να αποτρέψει το σχηματισμό στρωμάτων μολύνσεων.
Κατάφεραν τον στόχο τους αναπτύσσοντας ένα νέο υδρόφορο σύμπλοκο (Li-Al-O) τόσο στην επιφάνεια όσο και στο εσωτερικό του υλικού. Αυτό το σύμπλοκο απέτρεψε τη διάδοση της μόλυνσης εσωτερικά, κάνοντας το στρώμα να αντιδρά μόνο με την υγρασία του αέρα.
Το στρώμα ως λύση με βελτιωμένες ιδιότητες επαφής και υγροφορετικότητας οδήγησε επίσης στην ανάπτυξη υπερλεπτών στερεών μπαταριών λιθίου, περίπου στο ένα δέκατο του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας.
Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα με τις δέκα καλύτερες μετοχές μπαταριών για επένδυση.
Γιατί θεωρείται η έρευνα μια επανάσταση;
Τα αποτελέσματα οδήγησαν σε ένα σενάριο όπου είναι δυνατόν να παρασκευαστούν υπερλεπτά στρώματα λιθίου, με αποτέλεσμα έναν μικρό λόγο χωρητικότητας ανάμεσα στο άνοδο και το κάθοδο, περίπου 0,176 στις στερεές μπαταρίες.
Το πείραμα επιτρέπει επίσης σημαντική μείωση της ποσότητας του λιθίου που χρησιμοποιείται, μειώνοντας το συνολικό βάρος και όγκο της μπαταρίας και βελτιώνοντας σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα.
Εάν εφαρμοστεί, η έρευνα και τα ευρήματά της θα επιτρέψουν την αποθήκευση στον αέρα χωρίς την ανάγκη ειδικού χειρισμού ή εγκαταστάσεων. Εκτός από την απλοποίηση της διαδικασίας, η καινοτομία οδηγεί στην παραγωγή στερεών ηλεκτρολυτών τύπου γαρνιτού με μεγαλύτερη πρακτική χρηστικότητα.
Καθώς μιλούσε για το μέλλον, ο καθηγητής Byoungwoo Kang παρατήρησε:
“Θα συνεχίσουμε να εργαζόμαστε πάνω σε υπερλεπτές στερεές μπαταρίες λιθίου που μπορούν να επιτύχουν υψηλή ασφάλεια και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα.”
Η έρευνα δείχνει ότι η εστίαση στα βασικά μπορεί να μας βοηθήσει να μετατρέψουμε τα μειονεκτήματα ενός προϊόντος σε πλεονεκτήματα. Επιχειρήσεις και εμπορικοί φορείς επενδύουν στην έρευνα και τους πόρους για να κάνουν τις στερεές μπατρίες πιο κατάλληλες και ωφέλιμες για τα μελλοντικά αυτοκίνητα. Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε αυτές τις εταιρείες και τις καινοτομίες τους.
#1. Solid Power
Μία εταιρεία που κάνει εξαιρετική δουλειά σε αυτόν τον τομέα είναι η Solid Power (SLDP ). Οι ολοκληρωτικά στερεές μπαταρίες της προσφέρουν υψηλή ενέργεια, ενισχυμένη ασφάλεια, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και σημαντικά οφέλη κόστους.
Επιτρέπει τη χρήση ηλεκτροδίων υψηλότερης χωρητικότητας, όπως το υψηλού περιεχομένου πυριτίου και το λιθίου, ενώ ενισχύει τα πρότυπα ασφαλείας αφαιρώντας τα αντιδραστικά και ευμετάβλητα υγρά και ζελατιδικά συστατικά.
Το αποτέλεσμα είναι εμφανές σε μπαταρίες που μπορούν να αντέξουν και να λειτουργούν αποδοτικά σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες. Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι τα προϊόντα της έχουν πλεονέκτημα κόστους 15-35% έναντι των πακέτων Li-ion.
Το χαρτοφυλάκιο των ολοκληρωτικά στερεών μπαταριών της Solid Power περιλαμβάνει τρία κύρια προϊόντα: κελύφη Si EV, κελύφη Λιθίου Μετάλλου και κελύφη Μετατροπής Αντίδρασης.
Κελί Σιλικόνης EV
Διαθέτει άνοδο υψηλού περιεχομένου σιλικόνης, που οδηγεί σε υψηλούς ρυθμούς φόρτισης και χαμηλότερες θερμοκρασιακές δυνατότητες. Τα ιδιόκτητα στερεά ηλεκτρολύτες της Solid Power, βασισμένα σε θειούχους, τροφοδοτούν τη λύση. Χρησιμοποιεί βιομηχανικά πρότυπες, εμπορικά ώριμες κάθοδος NMC.
Λίθιο Μέταλλο
Το προϊόν παίρνει το όνομά του από τις υψηλής ενέργειας άνοδος λιθίου. Διαθέτει ελαφρώς καλύτερη χωρητικότητα από το κελί Silicon EV, το οποίο έχει προδιαγραφή 390 Wh/kg, ενώ το κελί Λιθίου Μετάλλου έχει 440 Wh/kg.
Κελί Μετατροπής Αντίδρασης
Από όλα τα προϊόντα του χαρτοφυλακίου της Solid Power, αυτό διαθέτει τη μέγιστη απόδοση 560 Wh/kg. Η μοναδικότητά του έγκειται στην υπερ-χαμηλού κόστους και υψηλής ειδικής ενέργειας κάθοδο τύπου μετατροπής.
Με έδρα το Κολοράντο, Ηνωμένες Πολιτείες, η Solid Power πιστεύει έντονα στην μετασχηματιστική ικανότητα των μπαταριών της. Πιστεύει ότι τα ολοκληρωτικά στερεά κελιά μπαταριών της θα καλύψουν τις απαιτήσεις όγκου και κόστους των OEM.
SLDP Διάγραμμα τιμής
Στην πιο πρόσφατη διαθέσιμη επενδυτική παρουσίασή της, η εταιρεία (Nasdaq: SLDP) ισχυρίζεται ότι είναι ο μοναδικός δημόσια διαπραγματεύσιμος καθαρός παίκτης στην ανάπτυξη πραγματικών στερεών μπαταριών που έχει συγκεντρώσει μέχρι σήμερα 700 εκατομμύρια δολάρια. Η εταιρεία ευημερεί χάρη στην πάνω από δεκαετή ιστορία επενδύσεων στην Έ&Κ, η οποία έχει οδηγήσει σε σχεδόν 50 παγκόσμιες οικογένειες πατεντών και τρεις ηγετικές συνεργάτες ανάπτυξης (BMW, Ford, SK On).
#2. QuantumScape
Η QuantumScape (QS ), ένας άλλος σημαντικός παίκτης στον χώρο, δηλώνει ότι είναι σε αποστολή να ‘μετασχηματίσει την αποθήκευση ενέργειας με τεχνολογία στερεής μπαταρίας λιθίου-μετάλλου.’ Επίσης, ισχυρίζεται ότι επιτρέπει ‘μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, ταχύτερη φόρτιση και ενισχυμένη ασφάλεια’ – τις τρεις βασικές ποιότητες στις οποίες εστιάζει επίσης η έρευνα του POSTECH.
Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά της QuantumScape είναι ότι έχει αναπτύξει το πρώτο στην βιομηχανία σχέδιο κελιού χωρίς άνοδο, με αποτέλεσμα υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, μειωμένο κόστος υλικών και απλοποιημένη παραγωγή.
Η τεχνολογική πλατφόρμα QuantumScape χρησιμοποιεί διάφορες χημικές συνθέσεις κάθοδος για να βελτιώσει σημαντικά τις ενεργειακές πυκνότητες των σημερινών κυψελών μπαταριών βασισμένων σε νικέλιο-μαγγάνιο-κόβαλτο (NMC) και λιθίου-σιδήρου-φωσφορική (LFP). Οι προσπάθειές τους διασφαλίζουν βελτιστοποίηση για διάφορες εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας και κρατούν τον χώρο έτοιμο να αξιοποιήσει μελλοντικές εξελίξεις στη χημεία των καθεδόν.
Ένα άλλο μοναδικό χαρακτηριστικό της εταιρείας είναι το υλικό του διαχωριστή, το οποίο είναι κατασκευασμένο από κεραμικά που προσφέρουν υψηλή αγωγιμότητα, σταθερότητα προς το λιθίο μέταλλο, αντοχή στο σχηματισμό δένδριων και χαμηλή διασυνοριακή αντίσταση. Ένα ακόμη πλεονέκτημα της χρήσης κεραμικού είναι ότι προσφέρει ενισχυμένη ασφάλεια, καθώς δεν είναι εύφλεκτο και επομένως ασφαλέστερο από τους συμβατικούς πολυμερείς διαχωριστές που περιέχουν υδρογονάνθρακες και είναι πιο επιρρεπείς στην καύση.
Η QuantumScape στοχεύει σε 800–1.000 Wh/L με τις στερεές κυψέλες λιθίου-μετάλλου.
SLDP Διάγραμμα τιμής
Οικονομικά, η QuantumScape (NYSE: QS) υποστηρίζεται από πάνω από 2 δισεκατομμύρια δολάρια κεφαλαιακών επενδύσεων. Διαθέτει πάνω από 300 διπλώματα ευρεσιτεχνίας και αιτήσεις πατεντών.
Το Μέλλον των Στερεών Μπαταριών
Οι στερεές μπαταρίες δεν είναι πλέον μια τεχνολογία του μέλλοντος, καθώς το μέλλον έχει ήδη φτάσει. Πολλές πρωτοποριακές έρευνες από κορυφαία ιδρύματα προωθούν καθημερινά την πρόοδό τους.
Τον Ιανουάριο του 2024, για παράδειγμα, ερευνητές από τη Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Χάρβαρντ (SEAS) παρουσίασαν μια στερεή μπαταρία με λιθίο μέταλο ικανή να εκτελεί 6.000 κύκλους φόρτισης/αποφόρτισης — σημαντικά περισσότερους από οποιαδήποτε άλλη κυψέλη μπαταρίας τύπου pouch στην αγορά.
Η έρευνα είναι παρόμοια με αυτήν που αναφέραμε στην αρχή του άρθρου μας, καθώς οι ερευνητές του Χάρβαρτ αντιμετώπισαν επίσης το γνωστό πρόβλημα των δένδριων που σχηματίζονται στην επιφάνεια της άνοδος.
Πέρα από τις εξειδικευμένες επιχειρήσεις που συζητήσαμε, όπως η Solid Power και η QuantumScape, υπάρχουν και μεγάλοι παίκτες σε αυτόν τον τομέα. Για παράδειγμα, τον Οκτώβριο του 2023, η Toyota και η Idemitsu Kosan ανακοίνωσαν μια συνεργασία για την ανάπτυξη στερεών μπαταριών για EV.
Το όραμα που κίνησε αυτή τη συνεργασία ήταν φιλόδοξο, για να το πούμε απλά. Στην ανακοίνωση τύπου ανέφερε το εξής:
Μέσω αυτής της συνεργασίας, οι δύο εταιρείες, που ηγούνται παγκοσμίως στους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης υλικών για όλες τις στερεές μπαταρίες, επιδιώκουν να διασφαλίσουν την επιτυχή εμπορευματοποίηση των στερεών μπαταριών το 2027-28 — όπως ανακοινώθηκε στο Toyota Technical Workshop τον Ιούνιο του 2023 — ακολουθούμενη από πλήρη μαζική παραγωγή.
Μια άλλη εταιρεία που αποφάσισε να κάνει μεγάλο βήμα σε αυτόν τον τομέα ήταν η Honda. Η εταιρεία είναι ενεργή σε αυτόν τον χώρο εδώ και κάποιο διάστημα. Τον Ιανουάριο του 2024, οι αρχές της Honda δήλωσαν ότι στοχεύουν σε μείωση βάρους κατά 50% — ή, με άλλα λόγια, σε αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας κατά 50% βάσει βάρους.
Ο Διευθύνων Σύμβουλος της Honda, Toshihiro Mibe, εξήγησε ότι αν η Honda ήθελε να δημιουργήσει ένα αυτοκίνητο που κοστίζει 30.000 δολάρια, θα μπορούσε να εξετάσει τις στερεές μπαταρίες, επειδή το κόστος της μπαταρίας θα μειωνόταν, η εμβέλεια θα αυξανόταν και το σύστημα ψύξης θα μπορούσε να απλοποιηθεί.
Ωστόσο, οι παγκόσμιες προσπάθειες για να γίνουν οι στερεές μπαταρίες πιο ανθεκτικές και ασφαλείς εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν προκλήσεις. Ο στόχος είναι η βελτιστοποίηση των βασικών της ιδιοτήτων, συμπεριλαμβανομένης της ασφάλειας, της σταθερότητας, της ενεργειακής απόδοσης και της αποδοτικότητας αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας. Τα εμπόδια, από την άλλη, περιλαμβάνουν τη μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα της απόδοσης, τη οικονομική βιωσιμότητα και την ακριβή παροχή συγκεκριμένων προτύπων ισχύος.
Αν εμβαθύνουμε περισσότερο, θα δούμε ότι οι προκλήσεις περιλαμβάνουν επίσης ανεπαρκή απόδοση κύκλων στις τρέχουσες στερεές μπαταρίες (SSBs) λόγω υποβάθμισης υλικών στις άνοδος, κάθοδο και ηλεκτρολύτες. Το Συμβούλιο ΗΠΑ για την Αυτοκινητική Έρευνα έχει θέσει στόχο διάρκεια ζωής μπαταρίας 10 ετών με 1000 κύκλους σε 80% βάθος εκφόρτισης.
Αυτό που εμποδίζει τις στερεές μπαταρίες να επιτύχουν συχνά αυτόν τον στόχο είναι ο σχηματισμός στρωμάτων χώρου-φόρτισης, που οδηγούν σε αργή διασυνοριακή κινητική και υψηλή αντίσταση, καθώς και η ανάπτυξη δένδριων, που προκαλούν βραχυκυκλώματα και κινδύνους ασφαλείας.
Ωστόσο, υπάρχουν λύσεις σε αυτές τις προκλήσεις. Οι κατασκευαστές θα πρέπει να εστιάσουν στην παραγωγή στερεών μπαταριών υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και βελτιώσεων. Τελικά, αυτά τα προϊόντα έχουν υψηλή θερμική σταθερότητα, εξαλείφοντας τις ανησυχίες ασφαλείας ακόμη και σε θερμοκρασίες άνω των 200 °C, ενώ οι υγροί ηλεκτρολύτες μπορεί να παρουσιάζουν κίνδυνο μόλις πάνω από 70 °C. Οι στερεοί ηλεκτρολύτες μπορούν να προσφέρουν λειτουργία χωρίς διαρροές και μεγαλύτερη ηλεκτροχημική σταθερότητα σε σύγκριση με τους υγρούς.
Οι στερεοί ηλεκτρολύτες είναι επίσης πιο επιθυμητοί καθώς μπορούν να μειώσουν τη φθορά της χωρητικότητας και τα εσωτερικά βραχυκυκλώματα. Η υψηλή ιοντική αγωγιμότητά τους και η χαμηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα εξασφαλίζουν επίσης ταχύτερη φόρτιση των οχημάτων.
Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της QuantumScape, ένα όχημα που καλύπτει περίπου 350 μίλια εμβέλειας με μία μόνο φόρτιση χρησιμοποιώντας μία από τις κορυφαίες παραδοσιακές κυψέλες λιθίου-ιόντων με ενεργειακή πυκνότητα ~700 Wh/L, θα μπορούσε να φτάσει μεταξύ 400 και 500 μιλίων εμβέλειας χρησιμοποιώντας τις στερεές κυψέλες της QuantumScape.
Συνολικά, οι στερεές μπαταρίες είναι απαραίτητες για τη μελλοντική κινητικότητα. Πρέπει να είναι αποδοτικές, ασφαλείς, οικονομικά αποδοτικές και μακράς διάρκειας.
