Каква неудобна тайна крие литиево-йонната батерия

Самозапалващите се батерии нашумяха покрай някои модели мобилни телефони, но подобен риск грози и електромобилите

Електрическата революция отдавна вече не е предсказание за бъдещето: тя се случва пред очите ни. През 2022 година над 10% от продадените автомобили в световен мащаб бяха с електрическо задвижване. Европейският съюз и някои отделни американски щати планират да забранят двигателя с вътрешно горене от 2035 година, Китай също не е далеч от този път. Развитите държави инвестират рекордни средства в технологии за съхранение на енергията, които да направят възобновяемите източнци надежден източник. Но онова, което никой политик не казва на глас, е, че за да се осъществят, всички тези смели планове разчитат на технологии, които още не съществуват. Електрическата революция е революция на кредит - без радикален технологичен пробив в областта на батериите тя е обречена, пише AutoMedia.

[sc: relatedarticles ids:229500,171865 / 

Разбира се, днес разполагаме и с много други средства за съхранение на енергията, освен химическите батерии - например физически батерии (водни като ПАВЕЦ Чаира, слънчеви, гравитационни), или пък производство на водород от ВЕИ. Но повечето от тях са огромни, тежки и мъчно подвижни. Транспортният сектор ще трябва да разчита на химически батерии.

Има само един проблем: доминиращата технология в тази област е отпреди почти половин век. И по начало не е измислена за употреба в автомобили, камиони или самолети.

Идеята за литиево-йонна батерия се появява с петролната криза в началото на 70-те. Рязкото поскъпване на горивата възражда идеите за електрическо задвижване, погребани още в зората на ХХ век. Но съществуващите оловно-киселинни акумулатори не са в състояние да го поддържат. Петролните и химическите гиганти започват да търсят алтернативи. Един млад химик, на име Стан Уитингъм, започва да експериментира с анод от метален литий, и катод от титаниев дисулфид. Регистриран е патент, показан е и работещ прототип на автосалона в Детройт. Но после петролната криза отшумява и Exxon решава, че инвестициите в нови батерии няма да се изплатят.

Батерията на Уитингъм е несравнимо по-добра от оловно-цинковите, но има и недостатъци - сравнително ниска скорост на зареждане и висок риск от възпламеняване. Джон Гудинъф, професор от Тексаския университет, решава първия проблем, като заменя титаниевия дисулфид с кобалтов оксид в катода. Колегата му от университета "Мейджо" Акира Йошино решава втория, като използва кокс за анода и намалява значително риска от пожар. От труда на тези трима души се ражда първата "съвременна" литиево-йонна батерия за масова употреба, въведена от Sony през 1992. А през 2019 Уитингъм, Гудинъф и Йошино поделиха Нобеловата награда за химия.

Но литиево-йонната батерия, която върши толкова добра работа в телефоните и лаптопите ни, не е съвсем подходяща за автомобили. Енергийната й плътност не стига, за да осигури нужния автономен преход от няколкостотин километра - за да се постигне това, батериите в колите трябва да са огромни. И съответно - много тежки. Един съвременен електромобил тежи средно с 350-400 кг повече от аналога си с двигател с вътрешно горене. Това поражда всевъзможни усложнения. Нужни са например специални (и отчетливо по-скъпи) гуми, които да издържат на натоварването. Наскоро Британската асоциация на паркингите предупреди, че много от по-старите многоетажни паркинги в страната са разчетени при доста по-ниско тегло на автомобилите и могат да рухнат под тежестта на електромобилите. Но най-същественият проблем с високото тегло е, че то увеличава разхода на енергия - значително. Един електромобил с обхват над 400 км с едно зареждане обикновено се нуждае от между 22 и 30 киловатчаса енергия, за да измине 100 км. Това все пак е по-ефективно от колите с ДВГ (превърнат в квтч, разходът на един бензинов автомобил е около 65-70 за 100 км/ч, на дизелов - около 60 квтч, на пропан-бутан - около 38 квтч). Но е недостатъчно за постигане на екологичните цели, в името на които електромобилите се налагат на пазара.
     
Цените на конвенционални и електрически автомобили започнаха да се доближават напоследък, но не заради поевтиняването на вторите, а заради изкуствено наложеното поскъпване на първите.

Вторият, още по-съществен проблем на литиево-йонните батерии, е цената им. Очакванията бяха, че с все по-масовото производство на батерии цената им ще върви надолу заради икономии от мащаба. Това се случваше между 2010 и 2020, когато цената падна от над 1200 долара до едва около 130 долара за киловатчас. Но след това започна обратният процес: с растящото търсене на батерии суровините за тях взеха да поскъпват неудържимо.
Никелът, който се търгуваше около 11 000 долара за тон преди три години, сега е 23 200 долара, а в един момент надхвърляше 33 000 долара. Кобалтът поскъпна от от 22 000 долара през 2016 до около 49 000 долара в началото на април 2023. Медта - незаменима суровина за електрическите системи - скочи от 5000 до около 9000 долара за тон (това е и единственият от т. нар. "метали на зеления преход", с който разполага България). И това е само плахото начало, когато само един от 10 нови автомобила е електрически. Представете си ефекта, когато станат пет от 10, или 10 от 10. Тогава вече въпросът няма да е само в цената. Неслучайно Илон Мъск нарече никела "новото злато". А Карлос Тавареш, главният изпълнителен директор на гиганта Stеllantis, наскоро подчерта, че ако всичките около 1.3 милиарда автомобила на планетата бъдат заменени с електрически, литият просто няма да стигне.

Тъкмо затова електрическият преход в транспорта е революция "на кредит". Той е планиран, разчитайки на бъдещи открития, които да променят сегашната химия на батериите, и да ги направят едновременно по-леки, по-ефективни, по-евтини и по-безопасни. Такъв залог не е непременно грешен: развитието на технологиите многократно е доказвало, че когато има икономическа мотивация, нови решения се намират. В момента се разработват над 20 различни нови технологии за батерии - някои само вариации на съществуващите, други - радикално различни. Само времето ще покаже коя ще успее да се наложи - или може би победителите ще са различни за различните типове употреба.

Преди да се спрем в повече детайли на алтернативите, може би трябва да напомним какво представлява литиево-йонната батерия. Немалко хора си представят, че при зареждане просто "сипваме" електричество в батерията като вода в туба. Но батерията не съхранява пряко електричество, а само го произвежда при нужда чрез химична реакция между двата електрода и разделящата ги среда, наречена електролит. Когато включите литиево-йонната батерия към някакъв уред (или когато активирате електромобила си), литиеви йони преминават от анода към катода, отдавайки електрони и създавайки заряд. Когато зареждате батерията, йоните се връщат от катода към анода.

Батерии с твърд електролит

Както подсказва самото им име, тези батерии не разчитат на обичайния електролит във вид на течност или гел. Вместо това ползват твърди електролити - стъклени, керамични или полимерни. Това носи няколко ползи. Първо, батериите с твърд електролит могат да съхраняват доста повече енергия при еднакъв обем. Прогнозите са, че ще бъдат и с доста по-дълъг живот - до седем пъти повече цикли на разреждане и зареждане от обикновените литиево-йонни батерии. И със сигурност ще са по-безопасни, защото твърдият електролит във всичките му варианти е огнеупорен. Сега въпросът е основно как цената за производството им да се смъкне до конкурентни нива. Технологията е доста напреднала: BMW наскоро обяви, че започва пътни тестове с батерии от стартъпа Solid Power. Toyota, която разработва собствени твърдотелни батерии, обещава сериен модел с тях през 2025.

Вижте 10-те технологии за батериите на бъдещето в ГАЛЕРИЯТА