„Na fali rozwoju elektromobilności […] w Nowym Jorku komunikację publiczną oparto na elektrobusach. Podobnie […] w Londynie”. Nie, to nie współczesny opis sytuacji transportu zbiorowego w tychże miastach. To cytat z książki „Ropa. Krew Cywilizacji”, gdzie autor odwołuje się do roku – uwaga! – 1897. Andrzej Krajewski pisze dalej, „Gdyby na przełomie XIX i XX wieku przyjmowano zakłady, jaki rodzaj napędu ma przed sobą przyszłość, wcale nie wygrałby silnik benzynowy”.
Jednak zbieg pewnych okoliczności, a przede wszystkim fakt, że produkty rafinacji ropy naftowej stały się najefektywniejszym paliwem, sprawiły, że to silniki spalinowe wygrały batalię o dominację rynku motoryzacyjnego. Za przegraną winić można baterie – ciężkie, szybko wyładowujące się i podatne na uszkodzenia. Mimo, że od tego czasu minęło ponad sto lat, to wyzwania związane z akumulatorami pozostają podobne.
Akumulatory litowo-jonowe vs. półprzewodnikowe
„Baterie litowo-jonowe zrewolucjonizowały nasze życie i są używane we wszystkim, od telefonów komórkowych po laptopy i pojazdy elektryczne” – skomentował przed czterema laty Komitet Noblowski przy informacji o nagrodzie z dziedziny chemii. Baterii tych używa prawie każdy, na przykład ty, drogi czytelniku, trzymający w ręku albo mający przed sobą te baterie w swoim urządzeniu.
Oczywista oczywistość – bateria to urządzenie służące do magazynowania energii elektrycznej i przystosowane do oddawania tej energii w bezpieczny sposób. Jak działa? Bez wdawania się w szczegóły można powiedzieć, że bateria składa się z dwóch elektrod – katody i anody, oddzielonych elektrolitem, czyli materiałem chemicznym, przez który przepływa strumień naładowanych elektrycznie atomów. Podczas procesu rozładowywania, jony litu przemieszczają się z anody do katody przez elektrolit, uwalniając energię elektryczną. W trakcie ładowania ogniwa ładunki przepływają w przeciwnym kierunku. To co wyróżnia tego typu baterie od wcześniejszych wersji to to, że jony są interkalowane, czyli wprowadzane do struktury krystalicznej, ale wiązanie ich jest słabe i odwracalne, w elektrodach.
Czym są natomiast opisywane w tym tekście baterie półprzewodnikowe? Działają niemal identycznie jak opisano powyżej. Jednak różnią się od ogniw litowo-jonowych tym, że elektrolit jest stały, a nie płynny. Elektrolit może mieć postać na przykład ceramiki, szkła, siarczków lub stałych polimerów.
Toyota – lider w opracowywaniu tej technologii – zdaje się stawiać na siarczki, bo jak powiedział szef japońskiej firmy petrochemicznej Idemitsu, z którą samochodowy gigant nawiązał ostatnio współpracę: „jesteśmy przekonani, że elektrolity stałe na bazie siarczków są najbardziej obiecującym rozwiązaniem problemów związanych z akumulatorami pojazdów elektrycznych, takich jak zasięg i czas ładowania”.
Elektryki w natarciu
Jednym z ważniejszych zastosowań baterii jest ich użycie w produkcji nowych samochodów. Co widać gołym okiem, rynek automotive się zmienia, a samochody elektryczne od kilkunastu lat coraz bardziej zaznaczają swoją obecność na światowym rynku. Szczególnie w ostatnich 3 latach elektryki (BEV – pełen elektryk i PHEV – hybryda typu plung-in) sprzedają się coraz lepiej. Jak informuje Międzynarodowa Agencja Energetyczna (ang. IEA -International Energy Agency), w 2020 r. sprzedano 3 miliony pojazdów elektrycznych (samochody osobowe różnej wielkości, w tym pojazdy typu SUV i lekkie ciężarówki). Rok później było to już 6,5 mln, a w 2022 r. – 10,3 mln. Ten rok również zakończył się prawdopodobnie wielkim wzrostem na poziomie ok. 35 proc. – przewidywania wskazywały na 14 mln sprzedanych aut elektrycznych. To przekłada się na ok. 18 proc. udział w rynku wszystkich nowych samochodów.
Elekromobilność prze do przodu szybciej w Europie niż w wielu innych regionach. W pierwszych 10 miesiącach ubiegłego roku 14 proc. rejestracji dotyczyło pełnych elektryków, a z silnikami PHEV udział ten wzrósł do 21,6 proc. Prawie 36 proc. nowych aut to te zasilane silnikiem benzynowym, a co czwarte to silniki hybrydowe HEV (ang. hybrid electric vehicle), których jednak nie można ładować z zewnętrznego źródła energii elektrycznej, w związku z czym często w nomenklaturze branżowej nie zalicza ich się do elektryków. Co ciekawe „czyste” auta elektryczne, BEV, prześcignęły już w sprzedaży silniki diesla (13,9 proc.).
Jednym z głównych powodów szybko rosnącej liczby pojazdów niespalinowych jest polityka przyjęta głównie przez kraje zachodnie, w szczególności przez Unię Europejską, ale również przez Chiny. Po wtóre – to malejące koszty produkcji. Według danych Jato Dynamics, w pierwszej połowie 2023 r. samochód elektryczny kosztował 31 165 euro w Chinach, 66 864 euro w Europie i 68 023 euro w USA.
Koszt baterii
Najważniejszą częścią kosztów produkcji samochodu elektrycznego są oczywiście baterie. Ich koszt zależy od różnych czynników, przede wszystkim od zużytych surowców, kosztów produkcji w danym kraju, złożoności opakowania czy stabilności łańcucha dostaw.
Visual Capitalist podaje, że baterie litowo-niklowo-kobaltowo-tlenkowe (NCA) mają średnią cenę 120 dolarów za kilowatogodzinę (kWh), podczas gdy akumulatory litowo-niklowo-kobaltowo-manganowe (NMC/ Li-NMC) nieco niższą i wynoszą ok. 114 dolarów za kWh. Obydwa zawierają znaczne ilości niklu, co zwiększa gęstość energii akumulatora i pozwala na większy zasięg. Tańsze, ale za to używane dla samochodów o mniejszych zasięgach, są akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP), ze średnią cenę 98,5 dolara za kWh.
Nieco inne dane, z wyższymi kosztami podaje Goldman Sachs, gdzie koszty podzielone są na koszty materiałów, koszty konstrukcji akumulatorów CTP (ang. Cell-to-Pack), koszty operacyjne (OPEX) oraz zysk producenta. Jeden z największych banków inwestycyjnych na świecie prognozuje, że do 2025 r. koszt całkowity baterii spadnie o 40 proc. w stosunku do 2022 r. (99 vs 156 dol./kWh). W kolejnych latach spadek będzie również widoczny, choć już nie w takim tempie, z ceną ok. 72 dol./kWh w 2030 r. Goldman Sachs szacuje również, że wraz ze spadkiem cen akumulatorów, rynek pojazdów elektrycznych może osiągnąć parytet kosztowy (bez dotacji) z pojazdami z silnikami spalinowymi już około połowy tej dekady w oparciu o całkowity koszt posiadania.
Bariery wzrostu
Koszty akumulatorów to jednak nie jedyne bariery wzrostu elektromobilności. Jednym z powodów sceptycyzmu do elektrycznych samochodów jest niewystarczający zasięg, który dany samochód może osiągnąć na jednym ładowaniu. Pojemność akumulatorów obecnych pojazdów elektrycznych waha się od zaledwie 17,6 kWh w Smart EQ ForTwo o zasięgu zaledwie ok. 100 km do 100 kWh w Tesli Model S, która oferuje maksymalny zasięg ok. 600 km.
I tu z pomocą przychodzą baterie półprzewodnikowe, nad których technologią pracują takie firmy jak: BMW, Honda, Hyundai, Motor Company czy też Nissan. Jednak największe ambicje dotyczące tego rozwiązania ma wspomniana już Toyota. Baterie te mogłyby podwoić dzisiejsze maksymalne zasięgi, czyli na jednym ładowaniu kierowca mógłby przejechać aż 1200 km.
Analizując dalej, czas ładowania to druga ważna rzecz stojąca na przeszkodzie szybkiego rozwoju e-mobilności. Kierowcy przyzwyczajeni są do niedługich wizyt na stacjach benzynowych. Tymczasem nawet ultraszybkie ładowarki, którymi można doładować elektryka, robią to w około 30 minut. Orędownicy omawianej technologii mówią o dwu lub nawet trzykrotnym skróceniu tego czasu. Dziesięć minut ładowania? To już czas niemal jak przy ładowaniu tradycyjnym, a więc szybka kawka na stacji i samochód już gotowy!
Kolejną kwestią wartą poruszenia jest bezpieczeństwo, które można rozważać przynajmniej dwojako w perspektywie elektryków. Pierwszą rzeczą jest to, że samochody elektryczne są cięższe niż te napędzane paliwami kopalnymi, średnio o 15–20 proc. W przeprowadzonym w 2011 r. badaniu przez „National Bureau of Economic Research” wynika, że uderzenie przez pojazd o 1000 funtów (410 kg) cięższy powoduje wzrost podstawowego prawdopodobieństwa śmierci o 47 proc. Z kolei w nowym badaniu przygotowanym przez Instytut IIHS (ang. Insurance Institute for Highway Safety) podano, że prawdopodobieństwo, że pojazdy z wyższym przodem i tępym profilem spowodują śmierć w razie wypadku, jest o 45 proc. większa niż dla pojazdów mniejszych. Nowe baterie, z wyższą gęstością energii, są lżejsze, co pozwala zmniejszyć masę pojazdu.
Jednak ta kwestia ważniejsza jest przede wszystkim dla Amerykanów, którzy znani są z zamiłowania do dużych samochodów. Warto natomiast wspomnieć o tym, co znacznie częściej pojawia się jako jeden z głównych zarzutów do aut elektrycznych, czyli to, że częściej dochodzi do awarii i samoistnych podpaleń. Jednak jak podkreśla wiele organizacji zajmujących się tą tematyką – to nie prawda, a jest nawet przeciwnie. Na przykład szef think tanku Energy and Climate Intelligence Unit powiedział: „wszystkie dane pokazują, że ryzyko zapalenia się pojazdów elektrycznych jest znacznie, znacznie mniejsze niż ich benzynowych odpowiedników”.
Nie wszędzie łatwo o precyzyjne dane, ale przykładowo finansowany przez Departament Obrony Australii EV FireSafe pisze, że ryzyko zapalenia się akumulatora pojazdu elektrycznego wynosi 0,0012 proc. w porównaniu z prawdopodobieństwem 0,1 proc. w przypadku samochodów z silnikiem spalinowym. Z kolei Szwedzka Agencja ds. Zagrożeń Cywilnych ustaliła, że w 2022 r. miało miejsce 3,8 pożarów na 100 tys. samochodów elektrycznych lub hybrydowych, w porównaniu z 68 pożarami na 100 tys. samochodów, biorąc pod uwagę wszystkie rodzaje paliw.
Z czego może wynikać błędne przekonanie opinii publicznej? Po pierwsze, informacje o przypadkach pożarów elektryków przyciągają większą uwagę i pojawiają się w mediach częściej. Ponadto – co jest już prawdą – takie pożary są bardziej niebezpiecznie, większe, częściej zapalają się powrotnie, a temperatura płomieni może być prawie trzykrotnie większa. To wszystko sprawia, że trudniej ugasić takie pożary i potrzeba do tego znacznie więcej wody.
I tutaj znów przychodzą z pomocą baterie półprzewodnikowe. Jeśli akumulator z ciekłym elektrolitem (w litowo-jonowych bateriach) zostanie uszkodzony lub przebity, obie strony elektrolitu mogą się połączyć, co może prowadzić do niekontrolowanego przepływu energii, a następnie pożaru. W bateriach z ciałem stałym jako elektrolitem prawdopodobieństwo zapaleń znacznie spada, co sprawia, że są one znacznie bezpieczniejsze.
Przyszłość
Mimo coraz częstszych doniesień o tej – można rzec – rewolucyjnej technologii, to wciąż jest wiele do zrobienia. Jednym z wyzwań jest trudność w utrzymaniu wydajności akumulatora. Ponadto, to co spędza sen z powiek inżynierom to komercjalizacja tej technologii, czyli produkcja na masową skalę. Ekstremalna wrażliwość akumulatorów półprzewodnikowych na wilgoć i tlen może jeszcze długo utrzymać wysokie koszty produkcji.
Toyota deklaruje, że już w 2027 r. będzie w stanie produkować takiego typu baterie na szeroką skalę. Niewątpliwie byłoby to krokiem wyprzedzającym konkurencję. Jak powiedział cytowany przez Financial Times profesor na Uniwersytecie Metropolitan w Osace – Akitoshi Hayashi: „akumulatory półprzewodnikowe będą kluczem do ożywienia japońskich producentów samochodów”.
Jednakże baterie półprzewodnikowe to nie tylko potencjalny wyróżnik na rynku dla Toyoty albo dla kogoś innego z branży. Wprowadzenie tych baterii będzie miało istotny wpływ na cały globalny przemysł motoryzacyjny. Ponadto, może przyczynić się do przyspieszenia elektromobilności i modernizacji całego światowego systemu transportowego.
W komentarzu cytowanego wcześniej Komitetu Noblowskiego przeczytać możemy, że John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham oraz Akira Yoshino „położyli podwaliny pod bezprzewodowe, wolne od paliw kopalnych społeczeństwo”. Czy za kilkanaście lat będziemy czytać podobne słowa – ale już nie z „podwalinami”, ale np. z „pobudzeniem” elektromobilności – w kontekście baterii półprzewodnikowych? Niewykluczone.
/>