Mga Bateryang Napakatibay: Bakit Ang Susunod na Henerasyon na Teknolohiya ay Magtatagal ng Dekada, Hindi Lang Taon

Mga Bateryang Dinisenyo para Magtagal

Habang ang mundo ay nagiging elektrikal at lumilipat sa renewable na enerhiya, tumataas ang pangangailangan para sa mas maraming imbakan ng enerhiya. Bahagi nito ay dulot ng paglipat sa mga EV, ngunit pati na rin ng hindi palaging magkatugma na produksyon ng renewable.

Maaaring bahagyang mapunan ito ng iba pang mababang carbon na pinagkukunan ng enerhiya, tulad ng hydroelectric o nuclear, o marahil geothermal sa hinaharap. Gayunpaman, mas nais ng mga tagapagtaguyod ng berdeng enerhiya na makita ang murang solar (at hangin) bilang batayan ng ating mga sistemang enerhiya.

Nagdudulot ito ng pangangailangan para sa mga baterya na may ganap na ibang katangian kumpara sa para sa mobilidad.

Ang mga EV ay nangangailangan ng napakataas na energy density na baterya na magaan at maliit upang maisakay sa balangkas ng sasakyan. Ang tibay ay isang alalahanin, ngunit basta kayang magamit ng baterya ng 10‑15 taon, ito ay malamang na kaayon ng tibay ng ibang bahagi ng sasakyan.

Sa kabilang banda, ang mga baterya para sa imbakan ng enerhiya ay hindi gaanong limitado ng bigat o dami.  Gayunpaman, sila ay tiyak na limitado ng gastos, dahil sila ay karagdagang gastusin sa produksyon ng berdeng enerhiya at ng power grid.

Isang paraan upang mabawasan ang gastos ng imbakan ng enerhiya ay ang paggamit ng mas murang materyales kaysa lithium sa paggawa ng baterya. Maraming alternatibo ang isinasalang-alang, tulad ng tinalakay natin dati sa “Ang Hinaharap ng Imbakan ng Enerhiya – Teknolohiya ng Utility-Scale Batteries”: mga baterya na gumagamit ng teknolohiyang sodium‑ion, iron‑air, zinc, sea salt, polymers, sodium‑sulfur, o kahit tunaw na metal.

Isa pang mahalagang elemento sa pagpapababa ng panghabang-buhay na gastos ng isang sistema ng baterya ay ang magtagal ito ng ilang dekada. Sa pamamagitan ng amortisasyon ng pamumuhunan sa maraming taon, bumababa ang kapital na gastusin ng baterya kada taon. At ito ay bagay na mas komportable para sa mga kumpanya ng utility, dahil sanay silang i‑amortisa ang mga bagong planta ng kuryente sa loob ng 30‑50 taon.

Bakit Nabibigo ang mga Baterya?

Kamatayan Dahil sa Dendrites

Bago tayo makabuo ng baterya na halos magtatagal magpakailanman, kailangan nating tingnan kung bakit karamihan sa mga baterya ay nawawalan ng charge sa paglipas ng panahon o humihinto sa pag‑andar.

Isang pangunahing salik, lalo na sa mga lithium‑ion baterya, ay ang paglago ng dendrites. Ang istrukturang kahawig ng stalactite ay lumalaki mula sa maling pag‑ipon ng metal sa loob ng baterya at, sa paglipas ng panahon, maaaring sirain ang harang sa pagitan ng cathode at anode, na maaaring magdulot ng shortcut at mapaminsalang sunog.

Source: Nobel Prize

Dahil sa panganib ng sunog, ang dendrites ay isang lalong seryosong isyu para sa mga kumpanya ng utility, dahil ang sunog sa isang selula ng baterya ay maaaring mabilis na kumalat sa buong multi‑bilyong parke ng mga baterya sa paligid. Kaya, sa ideal, ang teknolohiyang baterya na ginawa upang magtagal ay dapat halos walang panganib na bumuo ng mga dendrites.

Dapat ding tandaan na habang ang dendrites ay madalas pag-usapan kaugnay ng lithium‑ion baterya, ito ay pangkaraniwang isyu para sa karamihan ng mga baterya na gumagamit ng metal na anode at/o cathode.

Pagkawala ng Charge

Isa pang paraan kung paano nabibigo ang mga baterya ay ang dahan‑dahang pagkawala ng kanilang kakayahang mag‑imbak ng enerhiya. Kadalasan ito ay resulta ng ilang metal na ginamit sa electrode na dahan‑dahang nag-iipon sa anyong hindi na maaaring ibalik sa kapaki‑pakinabang na anyo.

Source: EnergSoft

Ang iba pang sanhi ay maaaring maliliit na bitak na nabubuo mula sa mekanikal at thermal stress, pagkawala ng structural integrity, pag‑ipon ng hindi kanais‑nais na deposito, atbp.

Source: EnergSoft

Kaya kung mas madaling maapektuhan ng isang teknolohiyang baterya ang mabagal na pagkasira, mas mabilis bumababa ang kabuuang charge, unti‑unting nagiging walang silbi ang baterya. Bilang karagdagan, ang mga nababagsak na baterya ay mas mahina sa paghawak ng charge at nasasayang ang mas maraming nakaimbak na enerhiya, kaya mas hindi ito kumikita.

Kaya ang ideal na teknolohiyang baterya ay hindi dapat madaling maapektuhan ng mabagal na pagkasira ng mga sangkap nito, o maaaring regular na i‑regenerate sa pinakamainam na kalagayan nang hindi kailangang i‑recycle ang buong sistema.

Kung nais mong alamin ang mga detalye kung paano nabababa ang mga baterya, maaari mo ring tingnan ang 22‑minutong video na ito:

Siklo ng Buhay

Ang tibay ng baterya ay maaaring maging komplikadong sukatin. Halimbawa, karamihan sa mga sistema ng baterya ng EV ay karaniwang sinusukat batay sa mileage, o kung gaano kalayo maaaring patakbuhin ang EV bago kailanganin ang bagong battery pack.

Isa pang paraan upang sukatin ito ay sa pamamagitan ng bilang ng charge‑discharge cycles na maaaring gawin bago mawalan ang baterya ng makabuluhang bahagi ng kabuuang charge nito. Para sa imbakan ng enerhiya, inaasahan ang regular na cycle ng charge‑discharge, hanggang 1‑3 beses kada araw.

Sa huli, kung gaano katagal maaaring panatilihin ang charge ay isa ring mahalagang tanong, dahil karamihan sa mga baterya ay nawawalan ng kaunting charge araw‑araw. Samantala, maaaring tumigil ang hangin sa loob ng ilang linggo, at ang mga araw ng taglamig ay may pinakamababang sikat ng araw at pinakamataas na konsumo ng kuryente, lalo na sa malamig na klima. Kaya sa teorya, ang bateryang kayang magdala ng kuryente nang halos walang pagkawala sa loob ng linggo o kahit buwan ay ang ideal na opsyon.

Toleransiya sa Temperatura

Karamihan sa mga teknolohiyang baterya ay hindi gaanong matiisin ang lamig, lalo na ang mga nagyeyelong temperatura. Dahil ang imbakan ng enerhiya sa malakihang sukat ay malamang na gawin sa labas, malapit sa power station, ito ay maaaring maging seryosong isyu sa malamig na klima tuwing taglamig. Kung malaking bahagi ng enerhiyang iniimbak ay nauubos para panatilihing mainit ang mga baterya, malaki ang magiging epekto nito sa ekonomiya ng pagpapatakbo ng mga baterya.

Mga Teknolohiyang Ultra‑Durable na Baterya

Honeycomb Batteries

Kahit na sa huli, ang mga alternatibong kimika ang maaaring magwagi para sa pagpapagana ng ganap na renewable‑centered na power grid, ang mga gumagawa ng baterya ay naghahanap din ng mga paraan upang gawing mas matibay ang kanilang kasalukuyang teknolohiya.

Isang halimbawa nito ay ang honeycomb batteries ng CATL (300750.SZ). Ang higanteng baterya na CATL, na gumagawa ng higit sa kalahati ng mga baterya sa mundo, ay malaking nagla‑lako sa teknolohiyang ito. Mukhang batay ito sa isang ideyang iminungkahi na noong 2020 sa isang siyentipikong papel na pinamagatang “Stretchable lithium‑ion battery based on new micro‑honeycomb structure”.

Source: Phys.org

Mula sa isang siyentipikong papel noong 2021, matutuklasan natin ang ilang pangunahing benepisyo ng honeycomb na hugis, partikular ang mababang density at mataas na out‑of‑plane compression at shear properties (resistensya ng mga materyales sa puwersang kumikilos nang magkasalungat ngunit magkasabay).

Ang pagbabagong ito sa pisikal na konfigurasyon ng baterya ay pinapanatili ang materyal sa tamang lugar, iniiwasan ang mga bitak at pag‑kontrata habang nagcha‑charge.

Bagaman hindi malinaw kung paano ito ginawa ng CATL, kilala ang ilang mga pamamaraan; halimbawa, sunud‑sunod na thermal at chemical treatments gamit ang carbon at asido ay maaaring lumikha ng nano‑honeycomb na istruktura.

Source: Chemistry Europe

Source: Chemistry Europe

Sa pangkalahatan, ang honeycomb na istruktura ng baterya ay tila nakakaiwas sa pagbuo ng mga bitak at dendrites, na lumilikha ng ultra‑durable na baterya habang patuloy na umaasa sa kilalang prinsipyo ng lithium‑ion at LFP (lithium‑ferrum‑phosphate) na teknolohiyang baterya.

Malamang na nasa core ng bagong produkto ng CATL ito, ang TENER containerized LFP battery system, na nagpakita ng zero degradation sa kapasidad matapos ang buong 5 taon ng operasyon.

Ang TENER ay ngayon sinisimulang i‑commercialize ng CATL sa mga kumpanya ng utility.

Source: Sustainability Environment

Solid State Batteries

Bukod sa pagbabago ng kimika, maaaring baguhin din ang mismong paraan ng paggawa ng baterya upang makagawa ng mas dense at mas matibay na baterya.

Ito ang ideya sa likod ng solid‑state batteries, na pinapalitan ang liquid electrolyte sa karamihan ng disenyo ng baterya ng solid metal layer. Sa teorya, ito ang magtatayo ng pinakamataas na energy baterya, bagaman maaaring hindi ito ang pinakamurang.

Hanggang kamakailan, ito ay isang mahirap ipatupad sa malakihang sukat dahil nangangailangan ito ng perpektong kontak sa pagitan ng mga metal layer. Ang mekanikal na paggalaw kapag nagcha‑charge‑discharge ay madalas ding nagdudulot ng pagbuo ng mga bitak.

Source: Flash Battery

Gayunpaman, kamakailang pag‑unlad ng maraming kumpanya tulad ng QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) o Hyundai (HYMTF) ng mga pabrika ng baterya at mass production para sa 2028‑2030 ay nagpapahiwatig na ang teknolohiya ay nagiging mature na.

Sa teorya, ang maayos na nadevelop na solid‑state batteries ay maaaring unti‑unting palitan ang lahat ng lithium‑ion, LFP, at kahit sodium‑ion baterya sa mga EV.

Ang huling presyo nito ay hindi pa alam kapag ginawa na sa malakihang sukat upang matukoy kung magiging sapat na mura para sa mga aplikasyon ng imbakan ng enerhiya sa grid. Maaaring makatulong ang mga espesyal na konsepto tulad ng anode‑free sodium solid‑state batteries, dahil iiwasan nito ang paggamit ng mamahaling lithium metal.

(Maaari kang matuto pa tungkol sa mga oportunidad sa pamumuhunan sa teknolohiyang ito sa “5 Pinakamagandang Stock ng Solid‑State Battery na Dapat Subaybayan o Bilhin”).

Zinc Batteries

Dahil ang zinc ay napakamura at sagana, matagal na itong ginagamit sa mga hindi rechargeable na baterya. Maaaring gumawa rin ng reusable na baterya gamit ang zinc, partikular ang zinc‑based aqueous batteries (ZABs).

Gayunpaman, ito ay disenyo na pinahirapan ng pagbuo ng dendrites, parasitikong hydrogen evolution reaction (HER), at surface corrosion passivation, na lubos na nagpapababa ng pagiging kapaki‑pakinabang nito.

Nagbabago ito dahil sa bagong pananaliksik na ginawa sa Technical University of Munich¹. Gumamit sila ng porous organic polymer na tinatawag na TpBD‑2F. Ang materyal na ito ay bumubuo ng matatag, napakakipot, at lubos na maayos na film sa zinc anode, na nagpapahintulot sa zinc ions na dumaloy nang mahusay sa mga nanochannel habang pinipigilan ang tubig na makapasok sa anode.

Source: Advanced Energy Materials

Ang mga assembled full cells (Zn‑ion capacitors) ay nagbibigay ng napaka‑mahabang cycle life na higit sa 100,000 cycles, isang kamangha‑manghang tibay, dahil halos ganap na napigilan ang pagbuo ng dendrites, pati na rin walang HER at corrosion.

Bilang karagdagan sa zinc batteries, iniisip ng mga mananaliksik na maaaring palawakin ang konseptong ito sa iba pang metal anodes: lithium, sodium, potassium, aluminum, atbp.

TAQ‑Polymer At Sodium‑Ion Batteries

Ang polymer (carbon) at sodium imbes na lithium ay maaaring maging mahusay na paraan upang mabawasan ang presyo ng mga hilaw na materyales na pumapasok sa baterya. Ito ang ginawa ng mga mananaliksik sa MIT sa kanilang TAQ‑sodium‑ion battery.

Sa mga unang pagsubok, nakamit nito ang 2,000 charge‑discharge cycles nang walang nakikitang degradation, habang nagtataglay ng mas mataas na energy density kaysa sa lithium baterya at ultra‑fast na 6‑minutong charge.

Ipinapakita nito na, sa huli, ang kimika ng baterya na malamang na manalo sa karera para sa ultra‑durable na baterya ay maaaring hindi lamang mas marami ng pareho kundi isang radikal na muling pag-iisip kung anong mga materyales ang maaaring gamitin sa baterya, kung saan ang mga murang at saganang elemento tulad ng carbon at sodium ay magagandang kandidato.

Molten Metal Batteries

Karamihan sa mga konsepto ng baterya ay nakabatay sa paglipat ng mga electron sa pagitan ng isang oxidation state ng solid metal atoms patungo sa isa pang oxidation state. Sa mga ito, kailangang perpektong paghiwalayin ang anodes at cathodes upang maiwasan ang mga shortcut.

Mas maraming metal at mas kaunti ang liquid parts tulad ng electrolytes, mas maganda, tulad ng sa solid‑state batteries, o ito ang direksyon ng karamihan sa industriya ng baterya.

Sa radikal na pagpapalawak kung ano ang maituturing na baterya, ang molten metal batteries ay ginagawa ang kabaligtaran: ang tatlong pangunahing komponent, ang anode, cathode, at electrolyte, ay likido.

Naghiwalay ang mga ito nang kusa mula sa isa’t isa dahil sa magkaibang liquid densities. Ang katotohanang walang solid components ay dapat, sa teorya, magpataas nang malaki sa lifespan ng baterya, pati na rin magbigay-daan sa napakabilis na charge at discharge at ganap na recyclable.

Source: Ambri

Ang kumpanyang suportado ni Bill Gates na Ambri, na gumagamit ng calcium at antimony battery, ay isang tagapagtanggol ng teknolohiyang ito. Plano nitong magprodyus ng 200,000 selula ng baterya bawat taon sa bagong pabrika nito pagsapit ng 2024.

Hindi ito natupad, dahil naubos ang pera ng kumpanya bago ito makapag‑scale‑up. Mula noon, lumabas ito mula sa Chapter 11 bankruptcy noong tag‑tag-init ng 2024, at patuloy na pinamumunuan ng co‑founder na si Dr. David Bradwell bilang CEO.

Inaasahan naming maibigay ang aming natatangi, ligtas, at murang komersyal na produkto sa aming mga customer sa malakihang sukat, upang matugunan ang matinding pangangailangan ng mga customer para sa aming mga sistema ng baterya, at para sa isang mas malinis na kinabukasan ng enerhiya.

Habang sinimulan namin ang panibagong simula na may mas matibay na balance sheet at bagong kapital, nakatuon kami sa pag‑posisyon ng Ambri upang gumanap ng nangungunang papel sa merkado ng long‑duration energy storage para sa kapakinabangan ng aming mga stakeholder.

David Bradwell

Kaya ang Ambri ay hindi pa patay, at hindi ito nag-iisang kumpanya na nagtatrabaho sa molten batteries. Ang Japanese NGK insulator (NGKIF) ay nagtatrabaho rin sa isang sodium‑sulfur molten salt battery, at ang kumpanya na Horien ay nagtatrabaho sa isang sodium‑nickel‑chloride battery.

Parehong produkto ng mga kumpanya ay komersiyal na at may rating na lifespan na 20+ taon.

Heat / Thermal Batteries

Sa pag‑extend pa ng kahulugan ng baterya mula sa imbakan ng kuryente hanggang sa simpleng imbakan ng anumang enerhiya, ang heat batteries ay nag-iimbak ng berdeng enerhiya sa anyong init imbes na electrochemical na enerhiya.

Maaaring magdala ito ng ilang mahahalagang benepisyo kumpara sa “normal” na baterya:

• Ang pag‑retain ng init sa loob ng ilang buwan ay ganap na magagawa kung may sapat na isolation, habang ang mga chemical na baterya ay palaging nag‑leak ng mas maraming power kada araw.
• Karamihan sa materyal na humahawak ng init ay maaaring i‑cycle nang daan‑daang libong beses nang walang makabuluhang pagkasira.
• Ang mga materyales na ginagamit ay mura at sagana, tulad ng, halimbawa, buhangin o purong carbon.

Ang kombinasyon ng murang materyales, halos walang degradation sa loob ng dekada, at multi‑month energy retention ay ginagawang magandang kandidato ang heat batteries.

Karamihan ay mga pribadong kumpanya na nag-eexplore ng ideyang ito, partikular ang Finnish na kumpanya Polar Night Energy, na nag-iimbak ng sobrang enerhiya mula sa tag‑tag-init papunta sa tag‑taglamig, gamit lamang ang low‑grade na buhangin at kaunting metal para sa frame at piping.

Source: Polar Night Energy

Isang katulad na heat battery ay iniisip ng Rondo Energy, na may ceramic bricks na maaaring painitin hanggang 1500°C, gamit ang init para sa mga industriyal na proseso tulad ng paggawa ng semento o bakal.

Source: Rondo Energy

Sa pangkalahatan, ito ay maaaring maging mahusay na opsyon para sa pag‑decarbonize ng mga sektor na patuloy na kumokonsumo ng maraming fossil fuels, tulad ng mabigat na industriya at pag‑painit ng mga apartment tuwing taglamig. Lalo na dahil ang disenyo ay makakatulong mag‑imbak ng enerhiya mula sa maaraw na tag‑taginit papunta sa maulap na tag‑taglamig.

Ang nakaimbak na init ay maaaring ibalik sa kuryente, salamat sa thermophotovoltaic cells, kung saan ang mga mananaliksik sa University of Michigan ay nakabuo ng mga selula na may rekord na 44% na kahusayan².

Source: Design Boom

Konklusyon

Ang mga sistema ng baterya para sa mga electric grid at mga tahanan ay malamang na maging mas hindi umaasa sa kasalukuyang lithium‑ion na teknolohiya at mas umaasa sa mas mura at mas matibay na teknolohiya, kahit na mas mababa ang energy density. Sa ngayon, ang mga handa para sa mass commercialization ay ang advanced honeycomb‑structure LFP at sodium‑ion baterya.

Sa pangmatagalang pananaw, mas kakaibang solusyon ang malamang na maidagdag sa halo, tulad ng molten metal, zinc, polymer, o heat batteries. Sa huli, ang tibay, gastos ng mga materyales, at gastos ng paggawa ay malamang na magiging pangunahing salik kung alin ang magiging “huling anyo” ng ultra‑durable na imbakan ng enerhiya.

Iyon ay, kung ang solid‑state batteries ay hindi magiging sapat na mura upang sakupin ang buong merkado ng imbakan ng enerhiya, isang malinaw na posibilidad ito.

Kumpanya ng Ultra‑Durable na Baterya

QuantumScape

Mula nang itatag noong 2010, ang Californian na QuantumScape ay naging kilalang startup sa larangan ng solid‑state battery, kapansin‑pansin dahil sa maagang pag‑pasok sa larangan, at sa pagiging independiyente mula sa mas malalaking gumagawa ng baterya na sumusubok din ng solid‑state technology, tulad ng CATL (300750.SZ), Samsung, o LG Energy Solution (373220.KS).

Source: QuantumScape

Isang natatanging tampok ng mga baterya ng QuantumScape, na noong panahong iyon ay itinuturing na rebolusyonaryo, ay ang paggamit ng anode‑free na disenyo. Pinahihintulutan nito ang ~15‑minutong mabilis na charge (10‑80% sa 45 ºC) at ang separator ay hindi nasusunog at hindi nasusunog.

Source: QuantumScape

Ito rin ay naglalagay sa mga baterya ng QuantumScape sa isang liga ng kanilang sarili pagdating sa energy density at bilis ng pag‑charge, na lubos na humahigitan ang mga lider tulad ng Tesla (TSLA ) (pareho ang kanilang sariling disenyo at ang mga gawa ng CATL).

Source: QuantumScape

Gayunpaman, ang mga kahanga‑hang performance na ito ay regular na napipigil ng pakikibaka sa pag‑scale up ng produksyon. Pinilit din nitong ubusin ang cash pile ng kumpanya, na nagdulot ng dilution sa mga dating investors at pagbaba ng presyo ng mga shares.

Mukhang nagbabago ito mula nang ang kasunduan noong 2024 sa PowerCo, ang division ng Volkswagen Group na gumagawa ng baterya, para sa isang licensing deal para sa disenyo at mass production ng mga baterya ng QuantumScape ng PowerCo.

Sa ilalim ng non‑exclusive licensing deal, maaaring gumawa ang PowerCo ng hanggang 40 gigawatt‑hours kada taon ng mga baterya para sa electric vehicle, na may opsyon na palawakin sa 80 GWh kada taon.

Ang biglaang pag‑scale‑up ng produksyon ng QuantumScape ay tila konektado sa Cobra, ang susunod‑henerasyon na solid‑state battery separator equipment ng kumpanya, isang breakthrough sa paggawa ng ceramics.

Sa pangkalahatan, dapat maisama ang Cobra sa produksyon pagsapit ng 2025, at ang unang tapos na EV na gumagamit ng baterya ng QuantumScape ay dapat maiproduce noong 2026.

Source: QuantumScape

Maaaring ito ang turning point para sa kumpanya, na mula sa 16 taon matapos ang pagkakatatag mula sa isang promising startup na may kawili‑wang IP ay lumipat sa pag‑generate ng lumalaking kita mula sa pakikipag‑partner sa isa sa pinakamalaking automaker sa mundo.

Sa pansamantala, dapat pa ring asahan ng mga mamumuhunan ang ilang volatility sa presyo ng stock, ngunit may liwanag sa dulo ng tunnel ng pag‑unlad ng produkto.

Pinakabagong Balita sa QuantumScape

Sanggunian ng Pag-aaral:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ion‑Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 Oktubre 2024}

^{2. Bosun Roy‑Layinde, et al. (2024) High‑efficiency air‑bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135‑2145. Hulyo 17, 2024.}