Οι μπαταρίες υφίστανται μια βαθιά μεταμόρφωση: ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου συνεχίζουν να κυριαρχούν στην αγορά, οι νέες τεχνολογίες μπαταριών αρχίζουν να καθιερώνονται , με στόχο τη μεγαλύτερη ασφάλεια, τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και την καλύτερη προσαρμογή σε πολύ συγκεκριμένες χρήσεις, από τα ηλεκτρικά οχήματα έως την τεράστια αποθήκευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Σε λίγα μόνο χρόνια, το τοπίο θα μπορούσε να είναι αρκετά διαφορετικό από αυτό που είναι σήμερα.
Μεταξύ των προτάσεων που κερδίζουν έδαφος είναι οι υδατικές μπαταρίες ψευδαργύρου-ιωδίου , σχεδιασμένες για μεγάλες σταθερές εγκαταστάσεις, και οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης με πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα , που είναι έτοιμες να βελτιώσουν σημαντικά την αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων. Μεγάλο μέρος της ώθησης προέρχεται από ασιατικά ερευνητικά κέντρα και κατασκευαστές, αλλά ο αντίκτυπός της θα γίνει αισθητός και στην Ευρώπη.
Νέες υδατικές μπαταρίες ψευδαργύρου-ιωδίου: ασφαλέστερες και με εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής
Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Flinders (Αυστραλία) παρουσίασε μια υδατική μπαταρία ψευδαργύρου-ιωδίου που προσφέρει μια διαφορετική προσέγγιση από τα συμβατικά στοιχεία ιόντων λιθίου. Αντί για εύφλεκτους οργανικούς ηλεκτρολύτες, αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί έναν ηλεκτρολύτη με βάση το νερό , μειώνοντας σημαντικά τον κίνδυνο υπερθέρμανσης και πυρκαγιών που προκαλούνται από θερμική διαφυγή.
Οι μπαταρίες ψευδαργύρου-ιωδίου δεν είναι μια νέα ιδέα. Μελετώνται εδώ και δεκαετίες . Ωστόσο, η υιοθέτησή τους παρεμποδίστηκε από ένα συγκεκριμένο πρόβλημα: την εκτόπιση πολυιωδιδίου, ένα χημικό φαινόμενο που προκαλεί τη μετακίνηση του ιωδίου μέσω του διαχωριστή στοιχείων, οδηγώντας σε ταχεία υποβάθμιση της μπαταρίας με τη συνεχή χρήση.
Η αυστραλιανή ομάδα ξεπέρασε αυτό το εμπόδιο σχεδιάζοντας ένα μοριακό «κλουβί» ικανό να συγκρατεί ενώσεις ιωδίου χωρίς να εμποδίζει τις απαραίτητες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Για να το πετύχουν αυτό, χρησιμοποίησαν πολυμερή που προέρχονται από κυκλοδεξτρίνες , κυκλικά μόρια από άμυλο, τα οποία χρησιμοποιούνται εδώ και χρόνια σε τομείς όπως τα τρόφιμα και τα καλλυντικά, και τα οποία τώρα βρίσκουν διαφορετική εφαρμογή στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας.
Αυτές οι κυκλοδεξτρίνες έχουν υδρόφιλο εξωτερικό και υδρόφοβη εσωτερική κοιλότητα. Αυτός ο συνδυασμός επιτρέπει στα πολυϊωδίδια να παγιδεύονται μέσα στη δομή του πολυμερούς, εμποδίζοντάς τα να κινούνται ελεύθερα σε όλη την μπαταρία. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύστημα που μετριάζει την κίνηση αυτών των ειδών ιωδίου, έναν από τους κύριους παράγοντες που προκαλούν φθορά στις μπαταρίες ψευδαργύρου-ιωδίου που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα.
Τεχνικά δεδομένα: κύκλοι, χωρητικότητα και χρόνοι φόρτισης
Εργαστηριακές δοκιμές δείχνουν ασυνήθιστη απόδοση για αυτό το είδος τεχνολογίας. Σε μία από τις δοκιμασμένες διαμορφώσεις, η μπαταρία επιτυγχάνει ειδική χωρητικότητα περίπου 200-205 mAh/g για περίπου 8.000 πλήρεις κύκλους, με χρόνους επαναφόρτισης περίπου επτά λεπτών από την πλήρη φόρτιση.
Σε μια άλλη παραλλαγή που έχει σχεδιαστεί για να μεγιστοποιεί τη διάρκεια ζωής, το σύστημα επιτυγχάνει 60.000 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης , διατηρώντας χωρητικότητα περίπου 150 mAh/g. Σε αυτήν την περίπτωση, ο χρόνος πλήρους φόρτισης μειώνεται ακόμη περισσότερο σε περίπου τρία λεπτά , ένα ποσοστό πολύ χαμηλότερο από αυτό που επιτρέπουν πολλές τρέχουσες μπαταρίες.
Σύμφωνα με την τεχνική τεκμηρίωση, αυτά τα στοιχεία λειτουργούν σε τάση μεταξύ 1,3 και 1,4 V και εμφανίζουν εξαιρετικά χαμηλή υποβάθμιση ανά κύκλο, η οποία εκτιμάται μεταξύ 0,0001% και 0,0003% κατά τις αρχικές δοκιμές. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι πρόκειται για πρωτότυπα μικρής κλίμακας εργαστηρίου , επομένως μένει να δούμε πώς θα αποδώσουν όταν ο σχεδιασμός εφαρμοστεί σε μεγαλύτερες μπαταρίες και σε περιβάλλοντα πραγματικής χρήσης.
Το κλειδί για αυτήν την πρόοδο έγκειται στον συνδυασμό πολύ μεγάλης διάρκειας ζωής και πολύ σύντομου χρόνου επαναφόρτισης , κάτι ιδιαίτερα χρήσιμο σε εφαρμογές όπου οι κύκλοι επαναλαμβάνονται συνεχώς καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας. Για ηλεκτρικά δίκτυα με υψηλή παρουσία ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ή για συστήματα εφεδρείας, η κατοχή μιας μπαταρίας ικανής να αντέξει δεκάδες χιλιάδες κύκλους μπορεί να είναι πιο σημαντική από τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής πυκνότητας.
Ασφάλεια, περιορισμοί και εφαρμογές: γιατί δεν θα το δούμε στο κινητό σας
Η χρήση ενός υδατικού ηλεκτρολύτη προσφέρει ένα σαφές πλεονέκτημα ασφάλειας. Σε αντίθεση με τους εύφλεκτους οργανικούς ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται σε πολλές μπαταρίες ιόντων λιθίου, το νερό μειώνει δραστικά τον κίνδυνο πυρκαγιάς και θερμικής διαφυγής, κάτι που αποτελεί ανησυχία τόσο για τις φορητές συσκευές όσο και για τις εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας.
Ωστόσο, αυτή η νέα μπαταρία ψευδαργύρου-ιωδίου έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα όταν εξετάζεται η χρήση της σε smartphones, tablet ή φορητούς υπολογιστές : η ογκομετρική ενεργειακή της πυκνότητα είναι χαμηλότερη από αυτή των τρεχουσών κυψελών ιόντων λιθίου. Για την αποθήκευση της ίδιας ποσότητας ενέργειας, θα χρειαζόταν μεγαλύτερος όγκος, με αποτέλεσμα μεγαλύτερες μπαταρίες και, επομένως, παχύτερες ή βαρύτερες συσκευές.
Για αυτόν τον λόγο, οι ίδιοι οι ερευνητές αποκλείουν την πιθανότητα αυτή η τεχνολογία να αντικαταστήσει τις μπαταρίες λιθίου στις καταναλωτικές ηλεκτρονικές συσκευές βραχυπρόθεσμα . Ο οδικός τους χάρτης είναι σαφώς προσανατολισμένος στην αποθήκευση ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα , έναν τομέα στον οποίο το μέγεθος και το βάρος είναι λιγότερο σημαντικά από την ανθεκτικότητα, την ασφάλεια και το κόστος ανά κύκλο.
Συγκεκριμένα, αναφέρονται εφαρμογές σε εγκαταστάσεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας —όπως ηλιακούς σταθμούς ή αιολικά πάρκα—, εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας συνδεδεμένες με το ηλεκτρικό δίκτυο και συστήματα ικανά να εξομαλύνουν την αιχμή της ζήτησης. Στην Ευρώπη, όπου η ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποτελεί προτεραιότητα, αυτοί οι τύποι λύσεων θα μπορούσαν να ενταχθούν σε έργα που αφορούν την εφεδρική αποθήκευση μπαταριών για το δίκτυο , σταθμούς υπερταχείας φόρτισης ή δημοτικές εγκαταστάσεις αποθήκευσης.
Παρόλο που η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, η εργασία που έχει γίνει στην Αυστραλία καταδεικνύει ότι η χημεία ψευδαργύρου-ιωδίου έχει ακόμη περιθώρια βελτίωσης. Εάν καθιερωθεί, θα μπορούσε να συμπληρώσει άλλες αναδυόμενες προτάσεις στον τομέα της σταθερής αποθήκευσης ενέργειας, όπως οι μπαταρίες ροής ή τα διαλύματα με βάση το νάτριο, διευρύνοντας το φάσμα των επιλογών πέρα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Αγώνας δρόμου για μπαταρίες στερεάς κατάστασης: το άλμα πυκνότητας προέρχεται από την Κίνα
Ενώ οι μπαταρίες ψευδαργύρου-ιωδίου απευθύνονται κυρίως στο ηλεκτρικό δίκτυο και σε μεγάλα έργα υποδομής, η άλλη σημαντική τάση στη νέα τεχνολογία μπαταριών επικεντρώνεται στα ηλεκτρικά οχήματα. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης έχουν γίνει η κύρια ελπίδα για ένα άλμα προς τα εμπρός στην αυτονομία, την ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής σε σύγκριση με τα συμβατικά στοιχεία ιόντων λιθίου.
Κορυφαίοι Κινέζοι κατασκευαστές όπως οι BYD, CATL και Geely έχουν προσδιορίσει το 2027 ως ένα έτος-κλειδί για τη μετάβαση από τα εργαστηριακά πρωτότυπα και τις δοκιμές μικρών παρτίδων στις πρώτες εφαρμογές σε πραγματικό κόσμο σε οχήματα. Άλλοι παραγωγοί μπαταριών, όπως οι Farasis Energy, CALB και Gotion High-Tech , έχουν συμμετάσχει σε αυτή την προσπάθεια, μαζί με αναδυόμενες εταιρείες που βλέπουν αυτήν την τεχνολογία ως ευκαιρία για να κερδίσουν έδαφος.
Ο κοινός στόχος είναι η ανάπτυξη στοιχείων ικανών να προσφέρουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα χωρίς να αυξάνουν το μέγεθος ή το βάρος της μπαταρίας, μειώνοντας παράλληλα τον κίνδυνο θερμικής διαφυγής και βελτιώνοντας τη χημική σταθερότητα των υλικών. Στην πράξη, αυτό θα μεταφραζόταν σε αυτοκίνητα με μεγαλύτερη αυτονομία ανά φόρτιση , ενδεχομένως ταχύτερη επαναφόρτιση και μεγαλύτερη ανθεκτικότητα, τόσο σε κύκλους όσο και σε χρόνια εντατικής χρήσης.
Η σημασία αυτής της κίνησης υπερβαίνει την κινεζική αγορά: Η Ευρώπη εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις μπαταρίες που παράγονται στην Ασία και οποιαδήποτε σημαντική πρόοδος στην τεχνολογία στερεάς κατάστασης θα καθορίσει την ανάπτυξη της ευρωπαϊκής αυτοκινητοβιομηχανίας και τα σχέδιά της για τη μετάβαση σε ηλεκτρικά οχήματα.
Η Geely και ο αγώνας για να φτάσει πρώτος τις μπαταρίες των 500 Wh/kg
Μεταξύ των πιο εντυπωσιακών έργων είναι αυτό της Geely , η οποία παρουσίασε μια νέα γενιά μπαταριών στερεάς κατάστασης με ανακοινωθείσα ενεργειακή πυκνότητα έως και 500 Wh/kg . Αυτό το ποσοστό, σε ορισμένες περιπτώσεις, διπλασιάζει την αυτονομία πολλών τρεχουσών μπαταριών NMC, οι οποίες συνήθως κυμαίνονται μεταξύ 250 και 300 Wh/kg.
Αυτή η πυκνότητα επιτρέπει, αφενός, την αποθήκευση περισσότερης ενέργειας με παρόμοια μάζα και, αφετέρου, τη μείωση του βάρους του συγκροτήματος διατηρώντας παράλληλα την ίδια χωρητικότητα, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση του οχήματος. Ως γενικό παράδειγμα, ένα συγκρότημα 80 kWh που ζυγίζει σήμερα σχεδόν ή υπερβαίνει τα 450 kg θα μπορούσε να είναι σημαντικά ελαφρύτερο, με άμεσο αντίκτυπο στην κατανάλωση καυσίμου, ειδικά σε αστικά περιβάλλοντα όπου οι συχνές επιταχύνσεις έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο.
Η Geely έχει παρουσιάσει μέρος αυτής της τεχνολογίας σε εξειδικευμένες εμπορικές εκθέσεις και έχει δηλώσει ότι οι μπαταρίες της χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρολύτη θείου στερεάς κατάστασης , δηλαδή ένα ανόργανο υλικό που αντικαθιστά τον παραδοσιακό υγρό ηλεκτρολύτη. Η εταιρεία δεν έχει ακόμη παράσχει λεπτομέρειες σχετικά με την ακριβή χημεία των ηλεκτροδίων, την χωρητικότητα kWh των πακέτων μπαταριών που σχεδιάζει να συναρμολογήσει ή τον συγκεκριμένο κύκλο έγκρισης για τις διαφημιζόμενες σειρές.
Ο όμιλος σχεδιάζει να ξεκινήσει τις δοκιμές σε δρόμους και την πιλοτική παραγωγή γύρω στο 2027, χρησιμοποιώντας οχήματα από αρκετές από τις μάρκες που ελέγχει, όπως οι Volvo, Polestar, Zeekr, Lynk & Co, Lotus και Smart. Ο αριθμός των μονάδων και των συγκεκριμένων μοντέλων δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί, αλλά η προσέγγιση περιλαμβάνει την κυκλοφορία πρώτα περιορισμένων σειρών, συχνά σε υψηλότερες τιμές, ικανές να απορροφήσουν το αρχικό ασφάλιστρο κόστους.
Εκτός από την αυτονομία, η Geely αναφέρει μια διάρκεια ζωής που θα μπορούσε να φτάσει το ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα νούμερο που, εάν επιτευχθεί, θα μείωνε τις ανησυχίες για μακροπρόθεσμη υποβάθμιση. Το έργο έχει εταίρους όπως η Dow, που συμμετέχουν στην ανάπτυξη συγκολλητικών ουσιών και υλικών ικανών να διατηρούν τις ιδιότητές τους σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, από περίπου -40 έως +120 °C, κάτι που είναι κρίσιμο για τη σταθερότητα των μπαταριών σε πολύ κρύα ή πολύ ζεστά κλίματα.
Η Κίνα ορίζει το 2027 ως έτος-κλειδί για τον στερεό ηλεκτρολύτη
Πέρα από την συγκεκριμένη περίπτωση της Geely, το κινεζικό τοπίο δείχνει μια εντυπωσιακή σύγκλιση ως προς την ημερομηνία-στόχο του 2027. Η BYD έχει καταχωρίσει διπλώματα ευρεσιτεχνίας που σχετίζονται με μπαταρίες στερεάς κατάστασης και έχει δηλώσει την ίδια χρονιά για τις πρώτες επιδείξεις οχημάτων της. Η CATL, παγκόσμιος ηγέτης στην προμήθεια μπαταριών, έχει επίσης ενημερώσει τους επενδυτές της ότι εργάζεται προς το 2027 ως ημερομηνία-στόχο για πιλοτική παραγωγή.
Εν τω μεταξύ, κατασκευαστές όπως οι CALB, Gotion High-Tech και Farasis Energy έχουν προσδιορίσει αυτήν την περίοδο ως την ιδανική στιγμή για να ξεκινήσουν τα προγράμματα επικύρωσης οδικής κυκλοφορίας. Η CALB, ο τρίτος μεγαλύτερος παίκτης στην κινεζική αγορά σε μερίδιο, σχεδιάζει να ξεκινήσει δοκιμές μικρής κλίμακας ηλεκτρικών οχημάτων και να αυξήσει σταδιακά την παραγωγή έως το πρώτο μισό της επόμενης δεκαετίας.
Η Gotion High-Tech, με την υποστήριξη της Volkswagen , εστιάζει τις προσπάθειές της σε μπαταρίες στερεάς κατάστασης με πυκνότητες-στόχους στην περιοχή των 350 Wh/kg , με στόχο την ενσωμάτωση μικρών σειρών σε δοκιμαστικά οχήματα από το 2027 και τη μετάβαση στην εμπορική παραγωγή μεταξύ 2029 και 2030. Η Farasis Energy, που συνδέεται με τη Mercedes-Benz, εργάζεται με παρόμοιο χρονοδιάγραμμα, με το 2030 ως στόχο για την είσοδο σε παραγωγή μεγάλης κλίμακας.
Ακόμη και εταιρείες που μέχρι πρόσφατα δεν ήταν συνδεδεμένες με ηλεκτρικά οχήματα, όπως η Dreame Technology —γνωστή για τις οικιακές συσκευές της— έχουν παρουσιάσει τους δικούς τους οδικούς χάρτες για μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Σύμφωνα με τα στοιχεία τους, τα στοιχεία Galaxy Crystal θα μπορούσαν να φτάσουν σε χωρητικότητες έως και 60 Ah και να ξεπεράσουν τα 450 Wh/kg , με την εμπορική παραγωγή να έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει γύρω στο 2027.
Η πραγματικότητα είναι ότι η μετατροπή ενός πειραματικού στοιχείου σε μπαταρία κατάλληλη για μαζική παραγωγή , με ελεγχόμενο κόστος και ανθεκτικότητα που ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της αυτοκινητοβιομηχανίας, παραμένει μια σημαντική τεχνική πρόκληση. Στελέχη ορισμένων κατασκευαστών έχουν προτρέψει για προσοχή όσον αφορά τις προσδοκίες, γνωρίζοντας ότι τα χρονοδιαγράμματα ενδέχεται να παραταθούν και ότι δεν θα φτάσουν όλα τα έργα στην αγορά ταυτόχρονα.
Πιθανές επιπτώσεις στην Ευρώπη και την αγορά ηλεκτρικών οχημάτων
Η συγκέντρωση έργων κατασκευής μπαταριών στερεάς κατάστασης στην Κίνα έχει άμεσες συνέπειες για την Ευρώπη. Μεγάλοι ευρωπαϊκοί όμιλοι αυτοκινήτων -συμπεριλαμβανομένων ορισμένων συνεργατών ασιατικών κατασκευαστών μπαταριών- εξαρτώνται από μια αλυσίδα εφοδιασμού όπου οι τεχνολογικές εξελίξεις αναπτύσσονται σε μεγάλο βαθμό εκτός της ηπείρου.
Εάν οι ενεργειακές πυκνότητες από 350 έως 500 Wh/kg μεταφραστούν σε αυτοκίνητα με αυτονομία που υπερβαίνει τα 1.000 km ανά φόρτιση και διάρκεια ζωής που πλησιάζει το ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα, η πίεση στους Ευρωπαίους κατασκευαστές θα αυξηθεί σημαντικά. Ο ανταγωνισμός δεν θα βασίζεται μόνο στην τιμή, αλλά και στην ικανότητα προσφοράς οχημάτων με λιγότερο συχνές απαιτήσεις φόρτισης και συστοιχιών μπαταριών που διατηρούν την απόδοσή τους για πολλά χρόνια.
Σε αυτό το πλαίσιο, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει δρομολογήσει προγράμματα για την ενίσχυση της τοπικής κατασκευής προηγμένων μπαταριών και τη μείωση της εξάρτησης από ξένες πηγές, αλλά ο ρυθμός ανάπτυξης δεν είναι πάντα εύκολο να αντιστοιχιστεί. Η επένδυση σε εναλλακτικές τεχνολογίες - όπως οι μπαταρίες ιόντων νατρίου, το ενισχυμένο φωσφορικό λίθιο-σιδήρου ή οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης που αναπτύσσονται εντός της Ευρώπης - θα είναι το κλειδί για τη διατήρηση της βιομηχανικής ανταγωνιστικότητας και τη διασφάλιση της προσφοράς.
Για τους καταναλωτές, ο πιο ορατός αντίκτυπος θα έρθει όταν η πρώτη σειρά οχημάτων με μπαταρίες επόμενης γενιάς αρχίσει να εμφανίζεται στους δρόμους, πιθανώς στις μεσαίες έως υψηλές ή υψηλές κατηγορίες. Εάν τα αποτελέσματα όσον αφορά την αυτονομία, την υποβάθμιση και την ασφάλεια ανταποκριθούν στις προσδοκίες, η ζήτηση πιθανότατα θα μετατοπιστεί ολοένα και περισσότερο προς αυτά τα μοντέλα, επιταχύνοντας τη μετάβαση και ωθώντας τις τρέχουσες τεχνολογίες προς πιο δευτερεύουσες χρήσεις ή κατηγορίες εισαγωγικού επιπέδου.
Συνολικά, οι εξελίξεις στις υδατικές μπαταρίες ψευδαργύρου-ιωδίου και στα στοιχεία στερεάς κατάστασης υψηλής πυκνότητας υποδηλώνουν μια δεκαετία κατά την οποία η αποθήκευση ενέργειας θα αλλάξει ριζικά: από μεγάλες εγκαταστάσεις που σταθεροποιούν το δίκτυο και διευκολύνουν τη μαζική χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, έως ηλεκτρικά αυτοκίνητα ικανά να διανύουν αποστάσεις αδιανόητες σήμερα με μία μόνο φόρτιση, η ανάπτυξη αυτών των νέων τεχνολογιών μπαταριών θα σηματοδοτήσει ένα μεγάλο μέρος της εξέλιξης του τομέα της ενέργειας και της κινητικότητας τόσο στην Ευρώπη όσο και στον υπόλοιπο κόσμο.
