Baterije s trdnim elektrolitom: energetska revolucija, ki se vztrajno izmika

Pri Toyoti so leta 2017 obljubljali, da so baterije s trdnim elektrolitom (angl solid state battery ali SSB), tik pred tem, da zavladajo svetu električnih avtomobilov, posledično je napoved za seboj potegnila veliko navdušenje. Poskočilo je število laboratorijev, ki so začeli raziskovati tehnologijo temu pa so sledili tudi lačni vlagatelji. 

Toda svet leta 2017 ni videl obljubljenega, pri Toyoti pa so leta 2020 predstavili novo baterijo, ki lahko shrani 20 odstotkov več energije kot litij-ionska baterija enake velikosti. Baterija je bila tudi bolj odporna na ekstremne temperature in je imela daljšo življenjsko dobo, a ni prišlo do masovne proizvodnje. Leta 2022 so spet napovedali, da bodo do leta 2025 začeli s serijsko proizvodnjo baterij s trdnim elektrolitom in jih vgradili v naslednjo generacijo Toyotinih električnih vozil. Vzorec se ponavlja že desetletje in se bo očitno še nekaj časa. 

"Težko bomo že v tem desetletju dosegli potrebni preboj," odgovarja Robert Dominko s Kemijskega inštituta, v Evropi uglednega laboratorija, ki s številnimi podjetji uspešno sodeluje v novi baterijski revoluciji. "V laboratoriju takšnih baterij ni težko izdelati, velik izziv pa je postaviti proizvodno linijo, kjer bi lahko učinkovito in hitro delali to, kar ročno sestavljajo znanstveniki v svojih laboratorijih." Kljub temu projekcije kažejo, da bo trg proti koncu desetletja začel hitro naraščati, poganjala pa ga bo predvsem elektromobilnost.

Zakaj baterije s trdnim elektrolitom?

Tehnologija se kljub številnim izzivom razvija relativno hitro in obljublja revolucijo na področju polnjenja in energijske gostote. Medtem ko litij-ionske baterije zmorejo shraniti med 250 in 350 vatnih ur na kilogram (Wh/kg), najboljše baterije s trdnim elektrolitom dosegajo že čez 500 Wh/kg, kar pomeni, da so veliko lažje. Delujejo lahko v višjem temperaturnem razponu, ker ne vsebujejo tekočine, so veliko bolj varne, ko je govora o požarni varnosti. Morda največja prednost temperaturne neobčutljivosti pa je hitrejše polnjenje, do 80 odstotkov se napolnijo v 10 al največ 15 minutah, življenjska doba teh baterij pa je tudi do 10-krat daljša. Torej namesto pet do 10 let bi jih lahko uporabljali 50 ali 100 let.

Kljub vsemu litij-ionska tehnologija še ni rekla zadnje. Dominko ocenjuje, da bo proizvodnja še lep čas v porastu. "Če so podjetja lani izdelala za okoli teravatno uro(TWh) kapacitet novih litij-ionskih baterij, se bomo leta 2030 pogovarjali o štirih ali petih TWh." Eden izmed pomembnih argumentov za nadaljevanje proizvodnje pa je tudi hitro padanje proizvodnih cen. "Kilovatna ura zdaj stane le še okoli 100 evrov," dodaja.

Boj za prevlado in zamujanje Evrope

Kot na vseh ostalih področjih elektromobilnosti ali trajnostnih tehnologij se tudi pri baterijah bije bitka za prevlado. V ospredju so Kitajska, Japonska, ZDA in Evropa. Kitajska s svojimi slovitimi petletkami oziroma razvojnimi načrti že nekaj časa močno vlaga in stavi na razvoj zelenih tehnologij. Tako tudi ne preseneča, da je eno izmed vodilnih podjetij CATL prvo zagnalo industrijsko proizvodnjo. "Kitajci so v to usmerili vse razvojne institucije, zraven so takoj postavili pilotne proizvodne linije, ki nato znanje prenašajo v industrijo," pojasnjuje Dominko. Nedavni preboji vključujejo litij-metal-kloridne elektrolite, ki kažejo potencial za hitrejše polnjenje. Poleg tega se razvijajo inovativne arhitekture elektrod, kot so nanostrukturirane elektrode, za izboljšanje energijske gostote in življenjske dobe baterije.

Največ upanja je predstavljala naveza med Volkswagnom in ameriškim zagonskim podjetjem Quantumscape. Toda po 300 milijonov evrov velikem vložku in številnih zamudah je nemški koncern odstopil od sodelovanja z Američani in se zatekel k francoskemu konglomeratu Bollore, pod katerim je eno vodilnih evropskih podjetij za razvoj te tehnologije Blue Solutions. Prav tukaj pa se znajde Kemijski inštitut, ki zelo tesno sodeluje s tem francoskim podjetjem. "Eden glavnih izzivov je bilo delovanje baterije pri nižjih temperaturi, kar smo v našem laboratoriju tudi dosegli," o zadnjih skupnih prebojih pravi Dominko.

Koncern Toyota, ob Volkswagnu največji avtomobilski proizvajalec na svetu, je ciljal na začetek proizvodnje svojih trdnih baterij leta 2025, vendar je vmes že napovedal, da masovne proizvodnje baterij ne pričakuje pred letom 2027 ali 2028. Dominko meni, da Evropa zaostaja. "Moti me evropsko oklevanje, kjer se ne moremo dokončno odločiti, ali bi ali ne bi razvijali baterij. Dejstvo je, da razvoj baterij traja vsaj 10 let, evropski vlagatelji pa so preveč neučakani."

Baterije s trdnim elektrolitom predstavljajo pomemben preboj v tehnologiji shranjevanja električne energije. S svojim potencialom za višje energijske gostote, hitrejše polnjenje in izboljšano varnost bodo spremenile industrijo električnih vozil ter igrale ključno vlogo pri oblikovanju prihodnosti transporta. To vedo vsa podjetja, za zdaj pa so najbližje izpolnitvi teh želja zelo osredotočeni Kitajci.