Atunci când gama, capacitatea sau viteza de încărcare a mașinilor electrice apare într-un forum, oamenii vorbesc mereu despre viitoarea baterie cu stare solidă, care vor rezolva multe dintre problemele actuale din segmentul BEV.

Până acum, am avut doar promisiuni și nici astăzi nu putem cumpăra o mașină electrică cu baterie solidă.

Care ar putea fi problema?

Dezavantaje primare:

Este important de subliniat că nu există o soluție economică pentru stocarea energiei electrice. Bateriile electrice încearcă să îndeplinească sarcina pentru care nu s-a găsit niciodată o soluție cu adevărat bună.

Există câteva probleme cu tehnologia actuală Li-ion din perspectiva mașinilor de pasageri. Densitatea sa de energie este redusă, astfel încât volumul cantității de transportat este mare și greutatea sa este și mai mare. Este o spirală de eficiență energetică care este foarte greu de gestionat.

Încărcarea a primit o nouă critică: nici încărcarea rapidă nu este cu adevărat rapidă, iar dacă este cu adevărat rapidă, va avea un efect negativ vizibil asupra duratei de viață atât a bateriilor hibride litiu-ion, cât și a bateriilor hibride nichel-metal.

Dezvoltatorii caută soluții pentru aceste probleme principale de ani de zile, iar o promisiune de lungă durată este bateria cu stare solidă.

Structură, comparație, materiale

O baterie cu stare solidă este o tehnologie a bateriilor care utilizează electrozi solizi și un electrolit solid în locul electroliților lichizi sau polimeri în gel găsiți în bateriile litiu-ion sau litiu-polimer.

Cu toate acestea, tehnologia nu este nouă. Electroliții solizi au fost descoperiți pentru prima dată în secolul al XIX-lea, dar numeroasele lor dezavantaje au împiedicat utilizarea lor pe scară largă. Evoluțiile care au avut loc la sfârșitul secolului XX și începutul secolului XXI au provocat un nou interes începând cu anii 2010 – tocmai în raport cu vehiculele electrice.

Bateriile cu stare solidă pot fi o soluție la multe probleme ale bateriilor Li-ion lichide, cum ar fi inflamabilitatea, tensiunea limitată, formarea instabilă a interfazei de electrolit solid, performanța ciclului slab și durabilitatea.

Comparație între bateriile Li-ion tradiționale, cu electroliți lichizi și cu stare solidă (Sursa: Universitatea UCI)

Materialele sugerate pentru utilizare ca electroliți solizi la bateriile cu stare solidă includ ceramica (cum ar fi oxizi, sulfuri, fosfați) și polimeri solizi.

Datorită faptului că tehnologia nu este nouă, există și o aplicare practică a acesteia.

Bateriile cu stare solidă sunt folosite la stimulatoare cardiace, RFID și dispozitive portabile. Sunt potențial mai sigure, cu o densitate de energie mai mare, dar la un cost mult mai mare. Provocările pentru utilizarea pe scară largă includ densitatea energiei și a puterii, durabilitatea, costurile materialelor, sensibilitatea și stabilitatea.

Mulți oameni uită, deși este un aspect foarte important, că marea majoritate a electroliților lichizi nu sunt substanțe deosebit de prietenoase cu mediul. De fapt, până la 90-95% din materialele folosite la bateriile de astăzi pot fi - în teorie - reciclate, ceea ce nu este un punct de neglijat. Când vine vorba de siguranța bateriilor, soluția folosită astăzi are și dezavantaje, deoarece poate avea scurgeri, este inflamabilă și poate provoca daune grave mediului. Înlocuirea tehnologiei actuale este justificată pe baza acestui fapt.

Laborator vs realitate

În teorie, bateria cu stare solidă sună foarte bine, dar în practică, implementarea nu este atât de simplă pe cât pare.

Dezvoltatorii se confruntă cu multe probleme în timpul construcției.

Un prim exemplu este conductivitatea. În urmă cu un deceniu, consensul științific unanim a fost că materialele enumerate mai sus sunt cu aproximativ două conductoare mai slabe decât electroliții lichizi. Trebuia făcut ceva împotriva acestui lucru - în ziua de azi problema nu este atât de mare, aproape că s-au apropiat de valorile versiunii lichide.

Același lucru este și cazul ciclurilor de încărcare. Anterior, modificarea volumului în timpul utilizării, adică ca urmare a schimbărilor de temperatură, care poate depăși 10% în cazul chimiei NCA populare la mașinile electrice, era o problemă majoră și a distrus electrolitul solid în timp.

Astăzi, în condiții de laborator, sunt capabili să realizeze un număr de cicluri care depășește 20.000. Aici avem obstacolele pe care nu am putut să le depășim până astăzi – tehnologia de producție adecvată nu există în acest moment.

Placa ceramică pe care vrem să o plasăm în baterie ar trebui să fie extrem de subțire, de aproximativ doi microni sau mai puțin. Este un material extrem de subțire - prin comparație, hârtia de imprimantă A4 are în medie 80 de microni grosime.

Bateriile cu stare solidă care utilizează un strat subțire ceramic și care funcționează astăzi în laboratoare sunt clasificate în multe cazuri  ca baterii cu peliculă subțire. Dezvoltatorii au reușit să facă grosimea potrivită în laborator - anodul, electrolitul solid/separatorul și catodul împreună sunt de aproximativ 2 microni.

Unde este problema? Din păcate, chiar aici. Oricât de mult am îndeplini criteriile de mai sus cu o placă ceramică atât de subțire, tocmai asta dă naștere următoarei probleme de nerezolvat: o celulă atât de subțire nu are o capacitate care să poată fi evaluată pentru uzul practic la automobile. Se poate observă că și-ar pierde toate proprietățile sale benefice în comparație cu bateriile cu electrolit lichid.

Înlocuirea ceramicii cu polimeri ar putea rezolva acest lucru, dar atunci conductivitatea ionică ar fi redusă, deoarece este mult mai rău în aceleași condiții decât în cazul ceramicii.

Vom avea vreodată o mașină ca asta?

Au existat deja încercări la nivel de concept - Toyota a venit cu Conceptul LQ în 2021, dar nici acest vehicul nu va intra în producție de serie.

Toyota LQ Concept (sursa: toyota.com)

Oricât de utopică pare bateria cu semiconductor în acest moment, posibilitatea unei viitoare producții în serie nu poate fi exclusă categoric.

Presiunea din partea pieței este uriașă, resursele dedicate cercetării sunt în creștere, așa că există încă șanse reale ca tehnologia de producție să fie găsită în câțiva ani, iar soluția ar putea ajunge la mașinile din showroom-uri.