Na elektriko: Baterijske celice s trdnim elektrolitom

Večja energijska gostota, bistveno hitrejše polnjenje in večja varnost; baterijske celice s trdnim elektrolitom (Solid State Batteries) namesto tekočega se zdijo učinkovita rešitev veliko ovir in izzivov elektromobilnosti. Kako daleč je ta obetavna tehnologija od serijske izdelave in uporabe?

Baterijske celice s trdnim elektrolitom se v novicah s področja elektromobilnosti pojavljajo že vrsto let, če ne celo desetletij, a še vedno niso v serijski proizvodnji ali uporabi. V zadnjem času so govorice in napovedi o skorajšnji serijski uporabi vse glasnejše; ob vse glasnejših napovedih uveljavljenih avtomobilskih izdelovalcev skorajšnji začetek izdelave napovedujejo tudi nekateri izdelovalci akumulatorskih sklopov.

Tekoče proti trdnemu

Litij-ionske baterijske celice poznamo že zelo dolgo časa in pri tehnologiji teh energetskih zalogovnikov že dolgo ni več skrivnosti. Značilno litij-ionsko baterijsko celico sestavljajo anoda oziroma negativni pol, ki je običajno narejena iz grafita, katoda oziroma pozitivni pol, ki je pogosto sestavljena iz niklja, mangana, kobalta ali železovega fosfata (LFP), med anodo in katodo pa sta še separator iz plastičnih polimerov in pa elektrolit oziroma tekoča raztopina, največkrat v organskem topilu raztopljena sol. Med polnjenjem in praznjenjem baterijske celice se litijevi ioni skozi elektrolit premikajo med anodo in katodo - pri polnjenju potujejo od katode proti anodi, pri praznjenju pa od anode proti katodi. 
Sestava baterijske celice s trdnim elektrolitom je precej drugačna od celice s tekočim elektrolitom, saj so vsi deli celice iz čvrstih materialov. Katoda (pozitivni pol) je običajno narejena podobno kot pri celici s tekočim elektrolitom (iz niklja, mangana, kobalta ali železovega fosfata), anoda (negativni pol) pa je narejena iz litija, ki je kovina. Namesto plastičnega separatorja in tekočega elektrolita ima takšna celica trdni separator, ki deluje kot separator med anodo in katodo, hkrati pa tudi kot elektrolit, skozi katerega potujejo litijevi ioni. Takšen trdni elektrolit ima torej vlogo medija, skozi katerega potujejo ioni, in vlogo mehanskega ločevalca med anodo in katodo. Takšna mehansko čvrsta pregrada omogoča kopičenje kovinskega litija neposredno na anodi, zato tudi ni potrebna grafitna struktura na anodnem delu celice.

Večja varnost   

A baterijske celice s trdnim elektrolitom imajo še druge prednosti. Tekoči elektrolit v litij-ionskih baterijskih celicah je hlapljiv in zelo vnetljiv, trdni elektrolit pa nima teh lastnosti in je zelo stabilen. Hkrati je zaradi keramične sestave mehansko odpornejši tako na udarce kot na visoke temperature; zaradi tega je ločitev med anodo in katodo zanesljivejša in preprečuje kratke stike tudi ob napačni uporabi ali poškodbah.
Varnost baterijskih celic s trdnim elektrolitom povečuje tudi večja odpornost na tvorjenje skupkov litija; litij se namreč skozi elektrolit ne premika enakomerno, ampak se združuje v skupke, ki lahko delujejo kot zatiči in v skrajnih razmerah tudi prebijejo separator med anodo in katodo celice, kar povzroči kratek stik. Trdni elektrolit, ki deluje tudi kot separator, je debelejši in zato odpornejši na omenjeno prebijanje.

Kompaktna zasnova

Pomembna prednost celic s trdnim elektrolitom je tudi zgradba anode iz čiste (litijeve) kovine; ker je anoda sestavljena samo iz litijevih delcev, ima manjše dimenzije kot anoda litij-ionske tehnologije, ki mora vsebovati tudi grafitno strukturo, ki v litij-ionskih baterijskih celicah zadržuje ione. Ta grafitna struktura zahteva veliko prostornine in je tudi težka, hkrati pa ne pripomore k shranjevanju energije. Rezultati raziskav dokazujejo, da imajo baterijske celice s trdnim elektrolitom od 2- do 2,5-krat večjo energijsko gostoto kot običajne litij-ionske celice, kar pomeni manjšo velikost in težo ob enaki sposobnosti shranjevanja energije oziroma več shranjene energije ob enaki masi in velikosti baterijske celice.

Hiter čas polnjenja

Najnovejše raziskave so tudi pokazale, da baterijske celice s trdnim elektrolitom lahko polnimo do 6-krat hitreje kot klasične litij-ionske baterijske celice. Obstajajo že prototipi teh baterijskih celic, ki se polnijo zelo hitro, vendar na škodo drugih odločilnih dejavnikov za doseganje dobre zmogljivosti. Doslej je bilo ugotovljeno, da so tekoči elektroliti pri visokih temperaturah nestabilni, medtem ko so trdni elektroliti pri visokih temperaturah bolj stabilni - visoke temperature pa nastanejo predvsem pri hitrem polnjenju.

Hitrejša izdelava?

Izdelava klasičnih baterijskih celic s tekočim elektrolitom je dokaj zapleten in drag postopek, saj je treba najprej sestaviti celico, nato pa pozneje vanjo skozi odprtino natočiti tekoči elektrolit. Elektrolit se mora absorbirati v celici, kar traja nekaj časa, nato ga je treba dopolniti do zahtevane ravni, na koncu pa je treba celico tudi ustrezno zatesniti. To je zahtevna in dolgotrajna faza v procesu izdelave. 
Baterijske celice s trdnim elektrolitom (teoretično) lahko izdelamo oziroma sestavimo na preprostejši in predvsem hitrejši način, a dokler ne bo v resnici stekla serijska izdelava, ne bomo vedeli, kolikšni bodo ti časovni prihranki. 

(Ne)stabilnost

Baterijska celica med polnjenjem in praznjenjem “diha”; debelina anode (iz litijeve kovine) se med polnjenjem povečuje, med praznjenjem pa zmanjšuje, kar predstavlja težavo za stabilno zasnovo celice. Ta mora biti narejena oziroma stisnjena tako, da se plasti med seboj ne ločijo, a hkrati mora omogočati omenjeno raztezanje. V številnih prototipih takšnih celic za stisnjenost plasti med seboj skrbijo posebne vzmeti, ki pa niso primerne za serijsko izdelavo. Na voljo je nekaj drugih tehnologij, a zaenkrat še ni delujoče - in ustrezno poceni - velikoserijske rešitve te težave. 

Visoke zahtevane temperature

Ioni se lažje prosto gibljejo v tekočini kot v trdni snovi, kar je še ena od ovir za velikoserijsko uporabo celic s trdnim elektrolitom. Trdni elektrolit postane dober prevodnik šele ob visokih temperaturah (približno 50 stopinj Celzija), ki jih je v praksi težko vzdrževati, če je takšen sklop baterijskih celic v avtomobilu. Če baterijska celica s trdnim elektrolitom ni ustrezno segreta, se njena zmogljivost precej zmanjša, zato je velik del prizadevanja razvojnikov usmerjen v raziskave materialov, ki ne zahtevajo tako visokih temperatur.  

Doba trajanja še vedno (pre)kratka

Doba trajanja baterijskih celic s trdnim elektrolitom je v sedanji preskusni fazi še vedno krajša od dobe trajanja klasičnih litij-ionskih baterijskih celic, čeprav raziskave kažejo, da bi bila lahko precej daljša. Klasične litij-ionske baterijske celice z železo-fosfatno (LFP) kemijo že dosegajo in presegajo 4000 ciklov polnjenja, celice s trdnim elektrolitom pa v teoriji obljubljajo od 8000 do 10.000 ciklov polnjenja, kar pa je v praksi zelo težko doseči - predvsem zaradi že omenjenega težko dosegljivega trajnega trdnega stika med plastmi celice. 

(Pre)visoki stroški

Stroški izdelave baterijskih celic s trdnim elektrolitom so v teh preskusnih oziroma raziskovalnih fazah še vedno izjemno visoki. Kakšna bo končna cena velikoserijske izdelave, v tem trenutku ne ve - ali pa ne izda - še nihče, a glede na to, da naj bi se bližali serijski izdelavi, so stroške očitno uspeli spraviti v kolikor toliko sprejemljive cenovne okvirje. A nekaj je jasno že zdaj, ko še ni stekla serijska izdelava; akumulatorski sklopi s trdnim elektrolitom bodo vsekakor precej dražji od klasičnih litij-ionskih akumulatorskih sklopov. Nenazadnje so to potrdili tudi pri Toyoti, ki je med vodilnimi zagovorniki trdnih elektrolitov; njihovi akumulatorski sklopi s trdnim elektrolitom bodo namenjeni le najzmogljivejšim električnim avtomobilom, ki bodo seveda tudi najdražji.  

Kako daleč smo od serijske izdelave?

A do serijske izdelave za potrebe električne mobilnosti je vendarle še daleč. Nekaj poskusov v tej smeri je v preteklosti že bilo: majhen električni avto bluecar izdelovalca Bolloreja (ki so ga uporabljali v francoskih shemah souporabe vozil Autolib, Bluely in Bluecub) je uporabljal 30 kWh litij-kovinski polimerni akumulatorski sklop, ki pa ga je bilo treba nenehno segrevati na delovno temperaturo med 60 in 80 stopinj Celzija, kar seveda ni bilo praktično in uporabno. Je pa Bollorejevo hčerinsko podjetje Blue Solutions že leta 2015 predstavilo komercialno dobavljiv akumulatorski sklop s trdnim elektrolitom, namenjen električnim avtobusom in industrijskim vozilom.
Kar nekaj uveljavljenih avtomobilskih izdelovalcev napoveduje skorajšnjo serijsko uporabo akumulatorskih sklopov s trdnim elektrolitom. Med najglasnejšimi so pri japonski Toyoti, ki svoje napovedi redno obnavlja oziroma posodablja; po njihovih prvih napovedih bi morali akumulatorske sklope s trdnim elektrolitom uporabljati že od leta 2021, potem je bil napovedan prelomni datum leto 2023, še pred kratkim so govorili o komercializaciji v letih 2027 in 2028, ko naj bi že izdelali “večdeset tisoč” serijskih akumulatorskih sklopov. Zadnje napovedi govorijo o komercializaciji po letu 2030 in še to za največ 10.000 vozil. 
Toyota seveda ni edini avtomobilski izdelovalec, ki stavi na trdni elektrolit. Pred kratkim so pri nemškem Mercedesu pokazali prototip svoje električne limuzine EQS z akumulatorskim sklopom s trdnim elektrolitom zmogljivosti 118 kWh, ki z enim polnjenjem lahko prevozi 1000 km. Niso pa napovedali, kdaj bo takšen akumulatorski sklop na voljo tudi kupcem. Svojo prihodnost s trdnim elektrolitom napovedujejo tudi pri BMW-ju in kar nekaj drugih izdelovalcev, vsekakor pa ne smemo odpisati kitajskih avtomobilskih izdelovalcev. Nenazadnje je nedavno​​​​​​​ Dongfeng na ceste poslal floto 50 svojih električnih avtomobilov E70 z akumulatorskimi sklopi s trdnim elektrolitom, kitajska družba Ganfeng Lithium pa je že leta 2023 objavila, da bo začela serijsko izdelavo akumulatorskega sklopa s trdnim elektrolitom prve generacije z energijsko gostoto 260 Wh/kg. 
Tudi tajvanska družba ProLogium je objavila, da so letos na Tajvanu odprli prvo giga-tovarno za baterijske celice s trdnim elektrolitom; za nas je ta podatek pomemben zato, ker bo družba ProLogium letos začela graditi - in do leta 2027 dokončala - giga-tovarno akumulatorjev s trdnim elektrolitom v francoskem Dunkirku.