ShutterstockJei gamintojos sugebės rasti pakankamai žaliavų jiems gaminti
Paklaustas, ko labiausiai nori iš elektromobilio, tūlas vairuotojas paminės tris dalykus: kuo toliau nuvažiuoti, kuo greičiau įkrauti ir kad galėtų konkuruoti kaina su panašios komplektacijos vidaus degimo variklio varomu automobiliu. Siekdamos tai įgyvendinti, automobilių gamintojos ieško, kaip įprastus ličio jonų akumuliatorius, varančius daugumą dabartinių elektromobilių, pakeisti pažangesnėmis vadinamojo kietojo būvio versijomis. Tokie naujų tipų superakumuliatoriai jau seniai žada greitesnį įkrovimą ir galimybę daug toliau nuvažiuoti. Daug metų klupus prie techninių problemų, pagaliau pastangos juos pagaminti pradeda duoti vaisių ir jau po keleto metų turėtų prasidėti pirmųjų kietojo būvio ličio jonų akumuliatorių gamyba.
„Toyota“, iš automobilių gamintojų didžiausia pasaulyje, kietojo būvio akumuliatorius pradėjo tyrinėti 2012 m. Per tuos metus ji net turėjo ketinimų pristatyti veikiančius prototipus, nors nedaug parodė. Bet neseniai bendrovė pranešė apie pasiektą „technologinį laimėjimą“ ir planus jau 2027 m. pradėti kietojo būvio akumuliatorių gamybą. Bendrovės teigimu, su naujuoju jos akumuliatoriumi elektromobilis galės nuvažiuoti apie 1,2 tūkst. kilometrų, tad maždaug dukart toliau už daugelį dabartinių modelių. O jam įkrauti užteks apie dešimt minučių.
Tegul elektra liejasi laisvai
„Toyota“ nėra vienintelė. Panašius duomenis skelbia kitos gamintojos, kuriančios kietojo būvio ličio jonų akumuliatorius. Antai „Nissan“ Jokohamoje stato gamyklą, kurioje kitąmet pradės gaminti bandomąsias versijas. Vokietijoje panašią gamyklą planuoja BMW, bendradarbiaudama su akumuliatorius kuriančia „Solid Power“ iš Kolorado. Silicio slėnio startuolė „QuantumScape“ pradėjo tiekti kietojo būvio akumuliatorių prototipus pagrindinei rėmėjai „Volkswagen“.
IQ redakcija rašo apie verslą, politiką, kultūrą ir kitus svarbiausius visuomenės reiškinius. Mes kuriame kokybišką ir išskirtinį turinį. Kviečiame mus palaikyti prenumeruojant mūsų žurnalą sau ar jums artimiems žmonėms mūsų prenumeratos svetainėje https://prenumeratoriai.lt/. Užsisakiusiems žurnalą metams – visas turinys iq.lt svetainėje nemokamas.
Turbūt nieko keisto, kad kietojo būvio akumuliatorius kuriamas taip ilgai. Sukurti laboratorijos sąlygomis veikiantį naujo tipo akumuliatorių – viena, bet pritaikyti jį masinei milijonų vienetų gamybai nėra lengva. Patys ličio jonų akumuliatoriai, nors išrasti XX a. 8-ojo dešimtmečio pabaigoje, visapusiškai komercializuoti tik 10-ojo pradžioje, iš pradžių pagaminus versijas nešiojamiesiems elektronikos įrenginiams, kaip antai kompiuteriai ir mobilieji, o vėliau ir didesnes, galinčias varyti naujos kartos elektromobilius.
Elektromobiliai atsirado kartu su automobilizmu. Tiesą sakant, Clara Ford mieliau sėdo į savąjį 1914-ųjų „Detroit Electric“ nei į sutuoktinio Henry gaminamus benzininius modelius. Bet pirmuosius elektromobilius, o ir vėliau pasirodžiusius modelius, paprastai varė tuzinai sunkių švino rūgštinių akumuliatorių – brangaus malonumo, su kuriuo negalėjai labai toli nuvažiuoti ir dažnai vėžlio žingsniu. Lengvi ir talpūs ličio jonų akumuliatoriai sumažino kainą ir padidino atstumą (žr. 1 grafiką), taigi leido pagaliau įsisukti transporto elektrifikacijai. Kietojo būvio ličio jonų akumuliatoriai gali atnešti naują permainą.
Iš pradžių kietojo būvio gardelės automobilių gamintojas sudomino dėl galimo didesnio saugumo, nes įprasti ličio jonų akumuliatoriai, nors ir galingi, bet kelia pavojų. Mat juose naudojamas skystas elektrolitas, paprastai gaminamas iš itin degių organinių tirpiklių. Todėl pažeistas ličio jonų akumuliatorius, tarkime, per eismo įvykį arba perkaitęs įkraunant, gali sprogti ir užsidegti. Naudojant nedegų, kietąjį elektrolitą tokio pavojaus nelieka. Kietuosius elektrolitus galima gaminti iš įvairių cheminių medžiagų, įskaitant polimerus ir keramiką. Tačiau net bendrovei „Toyota“, puikiai įvaldžiusiai masinę gamybą, iš pradžių nesisekė pasiekti, kad kietojo būvio gardelės ilgai efektyviai veiktų.
Pats savaime kietasis elektrolitas nebūtinai pagerina akumuliatoriaus techninius duomenis. Bet jį naudojant galima, pavyzdžiui, pakeisti ličio jonų akumuliatoriaus konstrukciją, kad būtų dar mažesnis ir lengvesnis, taigi tilptų daugiau energijos į mažesnius gabaritus. O inžinieriams jis suteikia didesnį pasirinkimą, iš kokių medžiagų galima gaminti ličio jonų akumuliatorius, ir galimybių koreguoti jų veikimo principą.
Nors ir labai degūs, skystos formos elektrolitai naudojami dėl rimtos priežasties. Jonai – tai elektringosios dalelės, sukuriamos prie vieno akumuliatoriaus elektrodų – katodo, įkraunant gardelę, kai iš ličio atomų atimami elektronai (žr. 2 diagramą). Elektrolitas – terpė, kuria jonai juda prie kito elektrodo – anodo. Judėdami jonai kerta akytą separatorių, kuris atskiria elektrodus, kad nebūtų trumpojo jungimo. Prie katodo sukurti elektronai juda link anodo išorinės įkrovimo grandinės laidais. Jonai ir elektronai susitinka prie anodo, kur jie sukaupiami. Akumuliatoriui išsikraunant vyksta atvirkščias procesas ir grandinėje esantys elektronai varo įrenginį. Elektromobilyje tai – elektros variklis.
Svarbu, kas tarpe
Kad viskas efektyviai veiktų, jonams svarbu lengvai judėti tarp elektrolito ir elektrodų. Elektrodai padengiami plonyčiais įvairių medžiagų sluoksniais iš mažyčių dalelių. Kadangi įprastame ličio jonų akumuliatoriuje skystas elektrolitas gali sutekėti į tuos sluoksnius ir apsemia daleles, susidaro didelis paviršiaus plotas, per kurį gali judėti jonai. Kietasis elektrolitas negali sutekėti į visas kerteles, todėl jį reikia stipriai prispausti prie elektrodų, kad būtų geras kontaktas. Bet tai padarius akumuliatoriaus konstrukcijoje, galima pažeisti elektrodus. „Šios vadinamosios laidumo problemos sprendimo paieška – vienas pagrindinių kietojo būvio akumuliatorių gamybos techninių iššūkių“, – sakė medžiagas akumuliatoriams tiekiančios „Umicore“ iš Briuselio vadovas Mathiasas Miedreichas.
Nors pradžioje problemų kilo, per praėjusius metus Japonijos automobilių gamintojos, pasak M. Miedreicho, daug pažengė aiškindamosi, kaip masiškai gaminti kietojo būvio ličio jonų akumuliatorius. Jo manymu, šios automobilių gamintojos, nors ir šiek tiek atsiliko pristatydamos elektromobilius, planuoja padedant naujiesiems akumuliatoriams pralenkti konkurentes. Gal. Bet lenktynės, kas pirmas sukurs superakumuliatorių, dar anaiptol nelaimėtos. Jau vien dėl to, kad pretendentai labai įvairūs.
Kai kurie kietojo būvio akumuliatoriai jau pasiekė rinką. Antai prancūzų įmonė „Blue Solutions“, priklausanti milžiniškai „Bolloré Group“, gamina vieną modelį, kuriame kaip elektrolitas naudojamas polimeras. Kadangi jam reikia aukštos darbinės temperatūros, akumuliatorius labiausiai tinka transportui, kuris, akumuliatoriui įšilus, lieka nuolat naudojamas. Todėl juo varomi elektrobusai.
Elektromobiliai atsirado kartu su automobilizmu. Tiesą sakant, Clara Ford mieliau sėdo į savąjį 1914-ųjų „Detroit Electric“ nei į sutuoktinio Henry gaminamus benzininius modelius.
Kitus galima laikyti tarpiniu variantu, nes juose tebenaudojama ir šiek tiek skysto elektrolito didesniam laidumui užtikrinti. Daugelis Kinijos akumuliatorių gamintojų, dominuojančių rinkoje, kuria pusiau kietas versijas. Kinų įmonė „Contemporary Amperex Technology“ (CATL), pagal bendrą talpą pagaminanti daugiau nei trečdalį pasaulio elektromobilių akumuliatorių, tvirtina, kad jau šiemet gali pradėti gaminti pusiau kietą versiją, kurią vadina „sutankintu“ akumuliatoriumi. Įmonės teigimu, jis duos ir aukšto lygio saugumą, ir didelę talpą.
Akumuliatoriaus talpą galima išmatuoti pagal savitąją energiją, t. y. kiek energijos tenka svorio vienetui. CATL nurodo, kad jos gaminamame sutankintame akumuliatoriuje tilps iki 500 vatvalandžių kilogramui (Wh/kg). Šiuo metu rinkoje siūlomuose geriausiuose ličio jonų akumuliatoriuose su skystu elektrolitu viršutinė riba paprastai siekia apie 300 Wh/kg. Vien kietojo būvio akumuliatoriai galbūt gali pasiekti 600 Wh/kg ar daugiau. Tokie galingi ir lengvi akumuliatoriai ne tik pagerins elektromobilių techninius duomenis, bet ir gerokai padidins atstumą, įveikiamą nedidelių vertikaliai kylančių ir tupiančių oro taksi, kurie jau greitai gali būti pripažinti tinkami skraidyti.
Vis dėlto talpa akumuliatoriuje ne viskas. Ne mažiau svarbu, kaip greitai jis gali atiduoti energiją, kiek bus tinkamas eksploatuoti ir kiek kainuos. Bet šiems klausimams išspręsti reikia kompromisų. Antai didinant sukaupiamos energijos kiekį veikiausiai padidės savikaina, jei reikės daugiau ličio. O nuolat naudojant greitąjį įkrovimą gali sutrumpėti akumuliatoriaus eksploatavimo laikas. Norint viską tinkamai subalansuoti svarbu, iš ko bus gaminamas akumuliatorius.
Medžiaga galvos skausmui
Pradėkime nuo katodų – brangiausio ličio jonų akumuliatoriaus komponento. Teoriškai kietojo būvio akumuliatoriams tipas iš esmės nesvarbu. Dvi dažniausios katodų rūšys – vadinamieji NMC, kuriuose naudojama ličio danga, taip pat įvairiomis proporcijomis nikelis, manganas ir kobaltas, ir LFP, gaminami iš ličio geležies fosfato mišinio. Pastarieji populiarėja, nes jiems nereikia brangių nikelio ir kobalto. Jų srityje ypač specializuojasi kinai. Bet talpa jie nusileidžia NMC, todėl paprastai naudojami transporte, kuriam nereikia aukštos klasės techninių duomenų.
Šimtams viso pasaulio laboratorijų kuriant naujas akumuliatorių medžiagas, neišvengiamai atsiras kito tipo katodų. Antai „Umicore“ kartu su elektrolitų gamintoja iš Japonijos „Idemitsu Kosan“ kurs katolitu vadinamą medžiagą, kurioje iš katodo cheminių medžiagų ir kietojo elektrolito suformuojamas vienas sluoksnis. Jei toks sprendimas pasiteisins, akumuliatoriaus konstrukcija galėtų būti dar paprastesnė. Be to, mokslininkai bando sukurti variantą, kad jonų šaltinis akumuliatoriuje vietoj ličio būtų natris. Natrio netrūksta ir jis pigus, nors litis, lengviausias iš metalų, vis tiek būtų pranašesnis tam tikrų rūšių transporte.
Permainos bręsta ir anodų srityje. Šiandien dauguma anodų gaminami iš grafito, grynosios formos anglių, kasamų keliose kasyklose, daugiausia Mozambike ar Kinijoje, arba sintetinamų naftos chemijos gamyklose naudojant taršius procesus. Kadangi kietas elektrolitas sumažina nepageidaujamų reakcijų pavojų, vietoj grafito galima naudoti tokias medžiagas kaip silicis ir kai kurie metalai, ypač litis metalo forma. Jie mažesniame tūryje gali sukaupti daugiau energijos nei grafitas, tad akumuliatoriai gali būti mažesni ir lengvesni. Dar daugiau vietos sutaupoma dėl to, kad kietas elektrolitas gali veikti ir kaip separatorius.
Kai kurie kietojo būvio akumuliatoriai neturės anodo (taip pat žr. 2 diagramą). Tokią kryptį pasirinko „QuantumScape“. Ji naudoja firminę keramiką, kuri veikia kaip separatorius ir kaip elektrolitas, dedamą tarp katodo ir metalinės folijos. Akumuliatorių įkraunant, ličio jonai juda per kietą elektrolitą ir susikaupia ant folijos – iš esmės padengia ją ličiu ir suformuoja veikiantį anodą. Akumuliatoriui išsikraunant, jonai grįžta atgal ir anodo nelieka.
Anodą suformuojant tokiu būdu, akumuliatorius pučiasi ir traukiasi. Kinta ir įprastų ličio jonų gardelių tūris, apie 4 proc., o „QuantumScape“ gardelės matmenys, pasak vieno įmonės įkūrėjų Timo Holme’o, kinta apie 15 proc. Vieta tokiam gabaritų pokyčiui numatoma gardelių korpuse, sudedant jas sluoksniais į modulius, iš kurių susideda visas elektromobilio akumuliatorius.
ShutterstockPasak „QuantumScape“, jos akumuliatorius ne tik leis toli nuvažiuoti ir greitai įkrauti, bet ir ilgiau tarnaus, t. y. akumuliatorių bus galima daugiau kartų įkrauti ir iškrauti, kol jo talpa smuks žemiau 90 proc. ir techniniai duomenys pradės blogėti. „QuantumScape“ akumuliatorius turėtų atlaikyti bent 800 ciklų, tikino T. Holme’as. Taigi, jei kiekvienąkart įkrovus elektromobilį vidutiniškai pavyktų nuvažiuoti tik apie 500 kilometrų, net ir tada per visą eksploatavimo laiką išeitų apie 400 tūkst. kilometrų rida – neblogai bet kuriam automobiliui. Kadangi akumuliatoriaus separatorius keraminis, jame taip pat nesusidaro dendritai, pridūrė T. Holme’as. Tokios išsišakojusios metalinės mikrostruktūros gali susiformuoti skystame elektrolite ir sukelti trumpąjį jungimą. Tam gali būti neatsparūs ir pusiau kietojo būvio akumuliatoriai, įskaitant sutankintuosius.
Į gamybą
Ar naujieji akumuliatoriai tikrai bus geri, paaiškės tik tada, kai jie bus pradėti dėti į automobilius ir bus galima patikrinti gamintojų teiginius. Reklamuojamas atstumas, kiek galės įveikti dabartiniai elektromobiliai, gali būti nepasiekiamas realiomis vairavimo sąlygomis. Pasak Xiaoxi He iš analitikų bendrovės „IDTechEx“, pirmieji pusiau kietojo būvio akumuliatoriai automobiliuose turėtų pasirodyti 2025–2026 m., o pirmosios versijos be jokio skysčio, kaip tos, kurias kuria „Toyota“ ir kiti, 2028-aisiais.
Pirmosios partijos nebus didelės, įmonėms pradedant nuo bandomosios gamybos prieš investuojant milijardus į esamų „gigagamyklų“ pritaikymą naujiesiems akumuliatoriams ar naujų statybą. „Todėl tokie akumuliatoriai bus brangūs ir iš pradžių dedami į prabangius ir aukštos klasės automobilius“, – įspėjo Xiaoxi He. Tad pigesni kietojo būvio akumuliatoriai šeimos automobilius gali masiškai pasiekti tik įpusėjus kitam dešimtmečiui.
Ar masinei gamybai sėkmingai pavyks numušti savikainą, labai priklausys nuo to, kaip per ateinantį dešimtmetį kis žaliavų kainos. „Kietojo būvio akumuliatoriams reikės daug daugiau ličio“, – sakė Fabianas Duffneris iš „Porsche Consulting“, nepriklausomo Vokietijos sportinių automobilių gamintojos padalinio. Jo skaičiavimu, akumuliatoriams su didesnės talpos katodais ir anodais reikės 40–100 proc. daugiau ličio, ir tai priklausys nuo jų konstrukcijos. Kartu gamintojoms reikės daugiau ličio, vis labiau pereinant nuo modelių su vidaus degimo varikliais prie elektromobilių gamybos.
Japonijoje „Toyota“, „Nissan“ ir „Honda“ kartu su akumuliatorių gamintojomis „Panasonic“ ir „GS Yuasa“ jau įkūrė konsorciumą kietojo būvio akumuliatoriams plėtoti.
Ličio, kartais vadinamo baltuoju auksu, kainos labai svyruoja. Didumoje ličio rinkos dominuoja Kinija. Pernai baigiantis metams akumuliatoriams tinkamo ličio karbonato kainos pašoko iki maždaug 600 tūkst. juanių už toną (apie 80 tūkst. JAV dolerių), bet nuo tada vėl nusmuko iki maždaug 250 tūkst. juanių, nors tokia kaina vis tiek yra apie dukart didesnė nei prieš dvejus metus. Nikelio kainos taip pat nestabilios.
„Tokioje permainingoje rinkoje įmonėms reikia užsitikrinti tiekimo linijas“, – kalbėjo F. Duffneris. Nebus lengva, nes nors yra rengiamų naujų ličio ir kitų akumuliatoriams reikalingų medžiagų kasyklų ypač kitose nei Kinija šalyse, iki gavybos visu pajėgumu gali praeiti dešimt ar daugiau metų.
Dėl to F. Duffneris mano, kad daugelis didžiųjų automobilių gamintojų taps labiau vertikaliai integruotos, joms vienijantis su akumuliatorių gamintojomis ir medžiagų tiekėjomis. Japonijoje „Toyota“, „Nissan“ ir „Honda“ kartu su akumuliatorių gamintojomis „Panasonic“ ir „GS Yuasa“ jau įkūrė konsorciumą kietojo būvio akumuliatoriams plėtoti.
Kažkiek padės medžiagų perdirbimas. Akumuliatoriai iš plataus vartojimo elektronikos daugeliu atvejų jau perdirbami ir tokio perdirbimo daugės, nes reikės sutvarkyti vis daugiau akumuliatorių, atitarnavus senesniems elektromobiliams. Metodai jau rimtai pažengę: akumuliatoriaus gardelės atskiriamos, sumalamos ir tada galima išrinkti ir išgryninti tokias medžiagas kaip litis, kobaltas, nikelis ir manganas.
Nevadoje akumuliatorius perdirbanti įmonė „Redwood Materials“ dalį išgautų medžiagų naudoja naujų katodų ir anodų gamyboje. Švedijos akumuliatorių gamintoja „Northvolt“, turinti ne vieną gigagamyklą Europoje, tikisi jau šio dešimtmečio pabaigoje gauti apie pusę reikalingų medžiagų iš perdirbtų akumuliatorių.
Taigi, vienaip ar kitaip, kietojo būvio ličio jonų akumuliatoriai jau atvažiuoja. Jie atrodo pakankamai perspektyviai, kad elektromobiliai pagaliau galėtų varžytis su taršių, morališkai pasenusių vidaus degimo variklių varomais automobiliais nuvažiuojamu atstumu, techniniais duomenimis ir patogumu. Kol kas standartiniai ličio jonų akumuliatoriai sudaro apie 40 proc. elektromobilio savikainos. Reikės mažesnio procento, kad kietojo būvio superakumuliatoriai leistų elektromobiliams konkuruoti ir kaina.
BEREKLAMOS:
