Naładowany: Przyszłość baterii

Przed przygotowaniem porannej kawy podłączasz samochód do prądu. Do czasu przygotowania naparu, poziom naładowania samochodu wzrasta z zera do 100, gotowy do pokonania setek kilometrów, podczas których siedzisz wygodnie i jesteś wożony na spotkania biznesowe. Ten scenariusz jest początkową rzeczywistością wynikającą z ostatnich przełomów w technologii akumulatorów. Od pojazdów elektrycznych (EV) po smartfony i wielkoskalowe pamięci masowe, modyfikacje i alternatywy dla obecnego wiodącego modelu baterii, litowo-jonowego (Li-ion), zyskują na popularności. 

Co jest na horyzoncie?
Rośnie lista nowych technologii, które mogą odblokować przyszłość baterii - niektóre z nich są bardziej opłacalne niż inne. Jednym z ulepszeń baterii litowych jest rozwój tak zwanych półprzewodnikowych baterii litowo-jonowych, z których najbardziej obiecujące wykorzystują grafen. Technologia ta zapewnia doskonałą stabilność, dłuższą żywotność i znacznie większą prędkość ładowania. Samsung ogłosił, że opracowuje baterię opartą na grafenie, która może potencjalnie zwiększyć pojemność baterii o prawie 50% i zwiększyć prędkość ładowania o 500%, do około 12 minut dla pełnego naładowania. Implikacje są również obiecujące dla rynku pojazdów elektrycznych, gdzie baterie grafenowe mogą zapewnić prędkość ładowania podobną do smartfonów i zasięg 500 km.
Innowacyjna modyfikacja obecnych baterii litowych wykorzystuje piasek zamiast grafitu, aby osiągnąć wyniki trzykrotnie lepsze niż tradycyjne baterie litowe. Ponieważ wykorzystują one piasek, są również znacznie tańsze w produkcji oraz nietoksyczne i przyjazne dla środowiska.
Innym ekologicznym rozwiązaniem jest woda. Baterie przepływowe wykorzystują wodę o neutralnym pH do przechowywania energii przez długi czas i mogą być również wykorzystywane do generowania energii. Firma z Australii pracuje nad stworzeniem największej na świecie baterii wykorzystującej naturalne jezioro oraz system turbin i tuneli. Producenci smartfonów również widzą potencjał w wykorzystaniu tej technologii do zastosowań na małą skalę.
Baterie sodowo-jonowe są kolejnym godnym uwagi konkurentem. Te baterie solne mogą być nawet siedmiokrotnie bardziej wydajne niż ich odpowiedniki litowo-jonowe. Chociaż komercjalizacja jest wciąż prawdopodobnie oddalona o dekadę, baterie oparte na soli mogłyby całkowicie zastąpić baterie litowe, ponieważ byłyby znacznie tańsze w produkcji, oferując jednocześnie lepszą wydajność.
Inne aktywnie badane i rozwijane technologie baterii obejmują fotosyntezę, złote nanodruty, ogniwa paliwowe, baterie słoneczne, baterie piankowe i baterie do noszenia.

Jak wygląda obecnie sytuacja?

Tesla, która już jest największym nabywcą akumulatorów litowo-jonowych, jest na dobrej drodze, by stać się ich największym producentem dzięki gigafabrykom Tesli. Pierwsza z nich - w Nevadzie w USA - będzie produkować akumulatory litowo-jonowe, których Tesla potrzebuje mniej więcej tyle, ile wynosi obecna światowa podaż. Fabryka jest wspólnym projektem Tesli i japońskiej firmy Panasonic, a do 2020 r. Tesla ma nadzieję na produkcję zestawów akumulatorów w cenie poniżej $100 za kWh. Obniżenie kosztów akumulatorów litowo-jonowych oznacza zachęcanie do korzystania z alternatywnych źródeł energii, a dyrektor generalny Elon Musk planuje budowę wielu innych Gigafabryk w najbliższej przyszłości. W przypadku proponowanej Tesla Gigafactory Europe, podobno rozważał między innymi Czechy i Finlandię.
Najbardziej znani dostawcy baterii to Samsung i LG Chem, ale Chiny są tuż za nimi. Ze względu na skalę przewidywanego popytu - wynikającego z ewolucji pojazdów elektrycznych i systemów magazynowania - zapotrzebowanie na produkcję ogniw akumulatorowych było bezprecedensowe. W ciągu ostatnich trzech lat zdolność produkcyjna ogniw akumulatorowych wzrosła ponad dwukrotnie, głównie dzięki produkcji ogniw w Chinach, która już teraz ma większy udział w globalnej produkcji niż Japonia.
Jednego godnego przeciwnika można znaleźć właśnie w Czechach: HE3DA Ltd. HE3DA, samozwańczy innowator w dziedzinie badań stosowanych i komercjalizacji technologii baterii, wykorzystuje wysoką prędkość ładowania i rozładowywania baterii opartych na nanotechnologii; po licznych testach naukowcy znaleźli sposób na zwiększenie bezpieczeństwa baterii i obniżenie kosztów produkcji o około 1/20 obecnej normy.
HE3DA nawiązała współpracę z firmą European Metals, która posiada prawa do poszukiwań w okolicach czeskiej miejscowości Cínovec. Miejsce to jest tak bogate w lit, że może stanowić około 3% światowych zasobów litu, co czyni go największym zasobem w Europie. Bliskość granicy z Niemcami, długa tradycja górnicza i wysoka stopa bezrobocia przyciągnęły wielu producentów. Daimler, właściciel Mercedes-Benz, buduje swoją drugą fabrykę baterii litowych w niemieckim mieście położonym zaledwie 90 km od wioski.

Napędzanie przyszłości
Rywalizacja o idealną baterię jest najbardziej widoczna w branży motoryzacyjnej. Według analityków, do 2040 r. pojazdy elektryczne staną się globalnym przemysłem o wartości $240 mld USD i będą odpowiadać za 40% globalnych zakupów pojazdów w ciągu 20 lat. Oznacza to, że 40 milionów pojazdów elektrycznych będzie sprzedawanych rocznie, nawet jeśli globalny rynek pojazdów nie odnotuje żadnego wzrostu.
Obecnie pojazdy elektryczne zasilane są głównie akumulatorami litowo-jonowymi. Ich wysoka gęstość energii zapewnia żywotność wystarczającą dla większości pojazdów elektrycznych i stają się one coraz bardziej przystępne cenowo. Jednak ogniwa litowo-jonowe są również stosunkowo delikatne, wrażliwe na temperaturę i - choć mogą pochwalić się dużą żywotnością - stopniowe pogarszanie się ich stanu można zaobserwować niemal natychmiast, nawet po zerowym użyciu.
Jednym z rozwiązań może być zastąpienie płynu ciałem stałym. Płynny elektrolit w obecnych jonach litowo-jonowych umożliwia przepływ naładowanych cząstek. Niektóre ciała stałe również umożliwiają taki przepływ, ale nie z prędkością wymaganą dla urządzeń o dużej mocy. Toyota twierdzi jednak, że do 2020 r. wprowadzi na rynek nowy pojazd elektryczny, który będzie zasilany półprzewodnikową baterią litową. Gdyby ta stała forma baterii doszła do skutku, zniwelowałaby ryzyko pożaru i otworzyłaby drzwi do w pełni metalowej anody, która oferuje większą pojemność energetyczną. Byłoby to przełomowe rozwiązanie.
Istnieje również opcja, że panowanie baterii dobiegnie końca, a firmy takie jak General Motors (GM), Toyota, Volkswagen, a nawet UPS opracowują pojazdy elektryczne zasilane wodorem, które biją inne pojazdy elektryczne pod względem zasięgu na jednym tankowaniu. Wodór oferuje czystą energię, której jedynymi produktami końcowymi są ciepło i woda. Samochód elektryczny z wodorowym ogniwem paliwowym ma silnik elektryczny, ale wytwarza energię elektryczną na pokładzie ze zmagazynowanego paliwa wodorowego. Gromadzenie wodoru jest jednak problematyczne: musi on być pod ciśnieniem i przechowywany w zbiornikach znacznie większych niż równoważny energetycznie zbiornik benzyny, a ponadto jest to bardzo czasochłonne. Dalsze postępy w tej dziedzinie są zatem niezbędne, aby napędzać rozwój tej technologii.