Ang Hinaharap ng Mobilidad – Teknolohiya ng Baterya

Ang Pagsikat ng mga EV

When Tesla (TSLA ) was founded in 2003, the idea of electric cars was mostly seen as a joke. At that point, every electric car had been essentially a glorified golf cart with poor battery range, low comfort, small size, and very low top speed.

The Tesla Roadster (1^st generation, as inaasahang magkaroon ng bagong bersyon sa 2026) completely changed this perception, with the performance of a luxury sports car, making electric cars (EVs) suddenly cool.

The key part that made EVs suddenly viable was progress in battery technology. At first, this was riding on the back of lithium-ion batteries designed for the small electronic market. And soon, more dedicated systems were developed to give EVs more autonomy.

From a small volume even in 2016, electric cars (EVs) are now an exponentially growing part of global sales, with more than 10 million electric cars sold in 2022, or 14% of global sales, with China and Europe leading the way.

Pandaigdigang benta ng EV – Pinagmulan: IEA

Gayunpaman, sa kabila ng pag-unlad na ito, may ilang tanong na nananatiling bukas tungkol sa pag-aampon ng mga EV. Ang benta ng EV ay bumagal dahil sa mataas na implasyon at pangangailangang hikayatin ang pangkalahatang publiko – hindi lamang ang mga maagang tagagamit. Kamakailan lamang, ito ay nagdulot ng pag-urong o pagkansela ng estratehiya ng EV ng mga pangunahing tagagawa, tulad ng GM, Ford, o Honda.

Ang Kasalukuyang Mga Limitasyon

Ang mga maagang tagahanga ng EV ay masaya na gumamit ng mga sasakyan na maaaring maging mas carbon-neutral at kumakatawan sa isang bagong teknolohiya. Ang mga mamimiling hindi gaanong nababahala sa kapaligiran ay patuloy na medyo nagdududa sa mga EV dahil sa iba’t ibang dahilan:

• Presyo: Karamihan sa mga EV ay mas mahal pa kaysa sa kanilang katumbas na ICE (Internal Combustion Engine). Sa pagtaas ng mga interest rate, maaaring maging masyadong mahal ang mga EV para sa maraming tao.
• Pag-aalala sa saklaw: Isang paraan upang pababain ang presyo ng isang EV ay ang pagpili ng mas maliit na baterya. Ngunit, ang mas mababang saklaw ay maaaring magpahirap sa mga mahabang biyahe, at ang oras ng pag-charge ay maaaring maging mahaba rin.
• Malamig na panahon: Kapag mas malamig ang klima, mas nakakasira ito sa mga baterya. Karamihan sa mga EV ay kailangang manatiling naka-charge sa mga gabi ng taglamig kung hindi sila nasa mainit na garahe. Higit pa rito, ang lamig ay nagpapababa ng teoretikal na saklaw ng mga EV.
• Imprastruktura ng pag-charge: Ang mga taong nakatira sa mga apartment ay maaaring mahirapang i-recharge ang kanilang mga EV kung kulang ang mga pampublikong istasyon ng pag-charge. Mahahabang pila, mabagal na pag-charge o kawalan ng mga istasyon sa malapit ay maaaring magdulot ng hindi magandang karanasan.
• Kaligtasan at tibay ng baterya: Ang mga lithium-ion na baterya ay naglalaman ng maraming enerhiya. At ang mga electrolyte sa baterya ay napaka-flammable. Ito ay maaaring magdulot ng panganib sa kaligtasan, lalo na sa mga saradong kapaligiran tulad ng underground parking. Hindi ibig sabihin na ang mga ICE na sasakyan ay hindi nasusunog, ngunit ito ay isang alalahanin pa rin.
• Grid ng kuryente: Bagaman hindi ito talaga alalahanin ng mga mamimili ng EV, maaari itong maging problema para sa buong sektor. Ang mga grid ng kuryente ay medyo napipilit na, at maaaring hindi kayanin ang milyun-milyong sasakyan na nangangailangan ng pag-recharge. Ang pinagmulan ng kuryente ay isa ring isyu, dahil marami rito ang nagmumula sa mga fossil fuel, kabilang ang karbon.

Karamihan sa mga isyu ng kasalukuyang mga EV ay maaaring maresolba sa pamamagitan ng mas magagandang baterya. Ang mabagal na pag-charge, napakababang saklaw, mga isyu sa kaligtasan, sensitibidad sa lamig, at pati na rin ang presyo ay lahat mga katangian ng kasalukuyang mga lithium-ion na baterya.

Ang mga mananaliksik at lider ng industriya ay nagsusumikap na lutasin ang mga kakulangang ito, alinman sa pamamagitan ng pagpapabuti ng kasalukuyang disenyo o pag-imbento ng ganap na mga bagong paraan ng paggawa ng baterya.

Sa pangkalahatan, ang mas siksik na mga baterya ay nangangahulugang mas mura, mas ligtas na mga baterya na mas malamang na tumagal nang mas matagal at mag-charge nang mas mabilis.

Pagpapabuti ng mga Lithium Battery

Ang unang hakbang ay pagbutihin ang umiiral na mga baterya at samantalahin ang napakaraming kaalaman at karanasan sa teknolohiyang ito. Nakikita ng ilang mananaliksik na ang kasalukuyang henerasyon ng mga baterya ay maaaring unti-unting mapabuti hanggang 2030: “Prospects for lithium-ion batteries and beyond—a 2030 vision”.

Ang unang bahagi ay pagbutihin ang bahagi ng cathode ng baterya, na kasalukuyang karamihan ay gawa sa lithium at nickel sa mga lithium-ion na baterya. Ang mas malalim na pag-unawa sa kristal na estruktura at kemikal na pagbabago kapag tumatanda ang baterya ay maaaring magpabuti sa lahat ng specs ng mga baterya.

Ang mga Anode, na kasalukuyang gawa sa grapayt, ay maaaring palitan ng 5x-10x na mas mataas na energy-dense na silicon o silicon oxide. Ito ay naging mahirap hanggang ngayon, dahil ang mga silicon anode ay mabilis na “tumanda”. Ang mga halo ng grapayt-silicon ay nagiging mas karaniwan na, at maaari nitong mapataas ang kabuuang enerhiya ng mga baterya.

Ang pagbabago ng mga electrolyte na nag-uugnay sa anode at cathode ay maaari ring makatulong. Ang mga bagong uri ng likidong solvent, mas konsentradong mga electrolyte, o marahil kahit gel-like na mga electrolyte ay maaaring mapabuti ang profile ng kaligtasan at dagdagan ang densidad ng baterya.

Sa huli, ang mas mahusay na disenyo ay isang opsyon upang i-optimize ang ugnayan sa pagitan ng mga baterya at mga EV. Maraming tagagawa ng EV ang nagsisimulang gumamit ng tinatawag na structural batteries na parehong imbakan ng enerhiya at mga struktural na bahagi ng sasakyan. Maaari nitong bawasan ang kabuuang bigat ng kotse, na nagreresulta sa mas mataas na kahusayan at saklaw. Ang Rolls-Royce (RRU.DE ), Tesla, at Volvo ay kasalukuyang nagtatrabaho sa ideyang ito, na maaaring magpataas ng saklaw ng 16%.

Solid State Batteries

Matagal nang pinaniniwalaan at dahan-dahang nagiging realidad sa mga laboratoryo, ang solid-state batteries ay madalas ilarawan bilang Holy Grail ng teknolohiya ng baterya.

Ang ideya ay ganap na alisin ang pangangailangan para sa likidong electrolyte, na lubos na nagpapababa ng bigat ng baterya at lubos na nagpapataas ng densidad nito. Ang pag-alis ng nasusunog na electrolyte ay dapat magpaligtas ng baterya. Ang pag-alis ng electrolyte ay dapat ding magpadali ng proseso ng paggawa; maaaring mag-alis ng hanggang 3 linggo sa linya ng paggawa.

Sa huli, ang mga disenyo tulad nito ay nangangako ng halos buong pag-reload sa loob ng 3-5 minuto, o halos katulad ng oras na kinakailangan para mag-refuel ng kotse gamit ang gasolina.

Maraming kumpanya ang nagsasabing ilulunsad nila ang kanilang sariling bersyon ng solid-state batteries sa lalong madaling panahon, mula 2026-2029. Kabilang dito ang QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), at Samsung SDI (006400.KS). Sa ngayon, ang Tesla (TSLA) ay nagtatrabaho sa sarili nitong alternatibo sa solid-state batteries, ang 4680 na baterya batay sa teknolohiyang lithium-ion.

Mga Isyu ng Solid-state Batteries

Ang pag-develop ng solid-state battery ay pinahirapan ng mga kahirapan sa pag-scale up ng mga prototype mula sa laboratoryo patungo sa mass-manufactured na produkto. Ang maaasahang, automated, at murang produksyon ay nasa proseso pa, at ang timeline para sa pagdating sa merkado ng solid-state batteries ay malamang nasa 2026-2028 horizon sa pinakamainam.

Pinagmulan: Vertex Holdings

Sa huli, ang solid-state batteries ay gagamit ng mas maraming lithium kaysa sa kasalukuyang mga lithium-ion na baterya, na maaaring magdulot ng pag-ulit ng napakataas na presyo ng lithium noong 2022, nang tumaas ito ng 10 beses sa loob ng 2 taon. Ang pag-recycle ay maaari ring maging mahirap.

“Condensed” Batteries

Marahil hindi na kailangan maghintay para sa solid-state batteries upang makita ang napakataas na densidad ng mga baterya. Inanunsyo ng CATL ang paglikha ng isang “condensed matter” na baterya, na kayang maabot ang 500 Wh/kg. Inaangkin din ng kumpanya ang posibilidad na makamit ang mass production sa maikling panahon, na mula sa pinuno ng sektor at hindi isang maliit na startup, ay malamang na kapanipaniwala.

Ito ay antas ng densidad na dati ay pinaniniwalaang maaabot lamang ng solid-state batteries. Ito rin ay antas na kinakailangan upang simulan ang pag-isip sa mga electric aircraft at iba pang aplikasyon na hanggang ngayon ay imposibleng i-electrify.

Mga Alternatibong Kemistri ng Baterya

Maraming posibleng alternatibo sa lithium-ion para sa paggawa ng baterya. Ngunit iilan lamang ang mga kemistri ng baterya na magkakaroon ng tamang kombinasyon ng magaan, mataas na densidad, at kaligtasan upang maging angkop para sa mga mobile na aplikasyon.

Sa pangmatagalan, ang ilan sa mga alternatibong bateryang ito ay maaaring palitan pa nga ang mas magastos na lithium batteries, lalo na pagdating sa mas sensitibo sa presyo na mass market ng automotive.

Lithium-Iron(Ferrum)-Phosphate Batteries – LFP

Ang mga LFP battery ay matagal nang hindi ginagamit sa mga aplikasyon ng mobilidad dahil sa napakababang energy density, karaniwang 30-40% mas mababa kaysa sa klasikong lithium ion battery. Ang pinakabagong bersyon ng kemistikang ito ay ngayon naabot ang antas ng densidad ng mga mas lumang henerasyon ng lithium-ion na baterya, na ginagawang angkop ito para sa mga mababang-gastos na sasakyan.

Isang malaking bentahe ng LFP ay hindi na nito kailangan ng nickel o cobalt, na parehong responsable sa presyo ng klasikong lithium-ion na baterya. Sa kabaligtaran, ang bakal at phosphate ay sagana at mura. Ang LFP ay mas malamang na tumagal nang mas matagal, na higit pang nagpapababa sa kabuuang gastos sa buhay ng sistema ng baterya.

Ang nangungunang tagagawa ng LFP ay ang Chinese na CATL (300750.SZ), kasama ang BYD (BYDDF), kahit na ang kumpanya ay ngayon ay tumitingin sa ibang mga opsyon upang mapanatili ang posisyon nito bilang tagagawa ng kalahati ng mga baterya sa mundo.

Gayunpaman, hindi nito pinapabayaan ang merkado ng LFP matapos ang pagbubunyag noong Agosto 2023 ng isang 700-kilometer na LFP battery na maaaring mag-recharge ng 400km na saklaw sa loob lamang ng 10 minuto.

Sodium-Ion

Bukod sa cobalt at nickel, ang lithium ay isa pang mahal na mapagkukunan na pumapasok sa lithium-ion. Sa kabaligtaran, ang sodium ay napakabihira at mura at mas malamang na hindi mauubusan tulad ng lithium.

Ang nangungunang Chinese na tagagawa ng kotse, BYD, ay inanunsyo ang intensyon nitong gamitin ang sodium-ion batteries para sa mga bagong mababang presyo na modelo nitong Dolphin at Seagull, kung saan ang Seagull ay maaaring maging mura lamang sa $10,000 (nakakalungkot, sa Tsina lamang).

Sinundan ito ng anunsyo ng isang high-density sodium-ion battery ng CATL noong 2021. Noong Nobyembre 2023, inanunsyo ng European na Northvolt ang isang breakthrough sa sodium-ion, na nakakamit ang parehong 160 watt-hours per kilogram na energy density tulad ng ng CATL.

Bagaman bahagyang mas mababa ang energy density kaysa sa LFP at mas mababa pa kaysa sa lithium-ion, maaaring manalo ang sodium-ion sa mass market dahil sa napakababang presyo, posibleng 1/3 ng presyo ng kasalukuyang mga baterya na gumagamit ng nickel.

Ibang Kemistri

Bagaman magiging masyadong mahaba kung titingnan ang bawat isa, may ilang iba pang potensyal na kemistri na maaaring maging seryosong kakompetensya para sa mga baterya na ginagamit sa mga aplikasyon ng mobilidad. Ngunit ang mga teknolohiyang ito ay nasa mas maagang yugto, kaya ang kanilang pag-aampon sa mga EV ay hindi inaasahan sa maikling panahon.

Glass batteries

Isang kapana-panabik na ideya, gamit lamang ang napakabihirang mga materyales, na sa ngayon ay nahihirapan pang gayahin ng ibang mga mananaliksik sa kanilang mga laboratoryo. Ngunit dahil sinusuportahan ang ideyang ito ni G. Goodenough, ang imbentor ng lithium-ion battery, hindi rin ito dapat balewalain (nakakalungkot, si G. Goodenough ay pumanaw noong tag-init ng 2023).

Graphene batteries

Ang Graphene, isang solong layer ng mga atom ng carbon, ay napakakondaktibo. Ang kumpanyang Graphene Manufacturing Group (GMG.V) ay nagtutulak para sa mga graphene/aluminum na baterya, na maaaring magkaroon ng mas mataas na densidad kaysa sa lithium-ion habang nagcha-charge nang 70 beses na mas mabilis at tumatagal ng 3 beses na mas matagal. Ang kumpanya ay nakikipagtulungan sa higanteng pagmimina (at miner ng grapayt) na Rio Tinto (RIO ) upang simulan ang produksyon sa sukat para sa 2025.

Manganese Hydrogen Batteries

Ang mga bateryang ito ay gagamit ng magnesium upang palitan ang lithium. Ang ganitong uri ng baterya ay inilarawan bilang “quasi solid-state” at maaaring harapin ang mas mababang temperatura hanggang -22 °C (-7°F).

Lithium-sulfur Batteries

Ang mga bateryang ito ay gagamit ng lithium at sulfur sa halip na mamahaling cobalt at nickel. Kahit sa maagang yugto, nagpapakita ito ng kamangha-manghang mataas na energy density. Gayunpaman, sila ay pinahihirapan ng mga isyu sa tibay at kailangang maging mas matibay upang maging isang magandang alternatibo sa umiiral na mga kemistri.

Pinagmulan: Vertex Holdings

Sodium-Sulfur Batteries

Ang mga bateryang ito ay sa ngayon ay limitado sa mga aplikasyon kung saan ang baterya ay pinananatiling mataas ang temperatura (300°C). Gayunpaman, ang mga bagong electrolyte na pumipigil sa paglusaw ng sulfur ay maaaring alisin ang pangangailangang ito. Kaya, maaaring maging isang bagong anggulo ito para sa paghahanap ng makapangyarihan at murang mga baterya.

Aluminum-ion Batteries

Ang teknolohiyang ito ay pumapalit sa lithium anode ng isang aluminum anode. Sa pamamagitan ng paggamit ng polymer na kapalit ng grapayt, ang mga bateryang ito ay maaaring makamit ang mataas na kapasidad ng imbakan.

Aluminum-Air

Ang mga “bateryang” ito ay gumagana sa pamamagitan ng pagkonsumo ng aluminum tulad ng isang fuel, na nagbibigay sa EV na gumagamit nito ng mas mataas na saklaw kaysa sa isang fuel car (1,600 km bawat tangke), na may mas mataas na energy density kaysa sa lithium-ion (1,350 W/kg). Ginagawa rin itong potensyal na pinagmumulan ng kuryente para sa mga electric plane.

Ang kinonsumo na aluminum ay maaaring palitan ng sariwang aluminum sa loob ng 90 segundo, at ang nagamit na “fuel” ay nire-recycle. Ang teknolohiyang ito ay maaari ring pagsamahin sa mga mas lumang EV upang magbigay sa kanila ng karagdagang saklaw.

Sa kasalukuyan, ang pangunahing limitasyon sa pag-unlad ng teknolohiyang ito ay tila hindi ito nakakatanggap ng suporta ng publiko, dahil hindi ito tunay na baterya, fuel-cell, o hydrogen-based, kaya hindi ito kwalipikado para sa suporta ng umiiral na mga green policy.