Οι επιστήμονες γνωρίζουν πλέον γιατί οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης αποτύγχαναν επανειλημμένα
Δύο ξεχωριστές μελέτες εντόπισαν τις φυσικές διεργασίες που ευθύνονται για τα βραχυκυκλώματα τα οποία καθυστερούν εδώ και χρόνια την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας, μετατρέποντας ένα από τα μεγαλύτερα άγνωστα του κλάδου σε ένα σαφώς καθορισμένο πρόβλημα μηχανικής.
Για χρόνια, οι μηχανικοί γνώριζαν πώς αποτύγχαναν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, αλλά όχι γιατί.
Οι μπαταρίες εμφάνιζαν επανειλημμένα εσωτερικά βραχυκυκλώματα, καθώς μικροσκοπικές δομές λιθίου σχηματίζονταν στο εσωτερικό του στοιχείου και τελικά διαπερνούσαν το φράγμα που διαχωρίζει τη θετική από την αρνητική πλευρά της μπαταρίας.
Οι ερευνητές μπορούσαν να δουν τι είχε συμβεί εκ των υστέρων, αλλά δεν μπορούσαν να εξηγήσουν τι προκαλούσε τον σχηματισμό αυτών των δομών ή πώς κατάφερναν να διαπεράσουν ένα υλικό ειδικά σχεδιασμένο να τις εμποδίζει.
Δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες έδωσαν πλέον απαντήσεις σε διαφορετικές πτυχές αυτού του ερωτήματος
Σε εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nature, επιστήμονες από το Ινστιτούτο Max Planck για Βιώσιμα Υλικά στη Γερμανία διαπίστωσαν ότι οι αποθέσεις λιθίου δημιουργούν τεράστια εσωτερική πίεση κατά τη φόρτιση, προκαλώντας τελικά ρωγμές στον στερεό ηλεκτρολύτη από το εσωτερικό.
Ξεχωριστά, ερευνητές από το MIT, το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου και συνεργαζόμενα ιδρύματα ανέφεραν στο Nature Nanotechnology ότι μικροσκοπικές ηλεκτρικές ανισορροπίες στο εσωτερικό του ηλεκτρολύτη δημιουργούν τις συνθήκες που επιτρέπουν στις ανεπιθύμητες δομές λιθίου να αρχίσουν να αναπτύσσονται.
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να εξαλείψουν μία σημαντική επιστημονική αβεβαιότητα, τη στιγμή που αυτοκινητοβιομηχανίες και κατασκευαστές μπαταριών επενδύουν δισεκατομμύρια δολάρια για να φέρουν τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης στην εμπορική παραγωγή.
Οι κατασκευαστές δεν περιμένουν
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θεωρούνται ευρέως η επόμενη μεγάλη πρόοδος στην τεχνολογία των μπαταριών, καθώς υπόσχονται μεγαλύτερη αυτονομία οδήγησης, ταχύτερη φόρτιση, βελτιωμένη ασφάλεια και υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Η αντικατάσταση του υγρού ηλεκτρολύτη με στερεό υλικό μειώνει επίσης τον κίνδυνο υπερθέρμανσης και επιτρέπει στους κατασκευαστές να αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια στον ίδιο φυσικό χώρο, καθιστώντας την τεχνολογία ελκυστική όχι μόνο για τα ηλεκτρικά οχήματα, αλλά και για την αεροπορία, την άμυνα και την αποθήκευση ενέργειας σε κλίμακα δικτύου.
Οι επανειλημμένες αποτυχίες δεν έπεισαν ποτέ την αυτοκινητοβιομηχανία ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης ήταν ανεφάρμοστες. Αντίθετα, οι κατασκευαστές επέλεξαν να τις αντιμετωπίσουν ως προβλήματα μηχανικής που θα μπορούσαν τελικά να επιλυθούν.
Το διακύβευμα ήταν απλώς πολύ μεγάλο για να αγνοηθεί, καθώς, σε σύγκριση με τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης υπόσχονται υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, ταχύτερη φόρτιση, βελτιωμένη ασφάλεια και μεγαλύτερη αυτονομία οδήγησης.
Οι κατασκευαστές φαίνεται να είναι πεπεισμένοι ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι η τεχνολογία που θα αναδιαμορφώσει πλήρως τη βιομηχανία των ηλεκτρικών οχημάτων.
Οι κατασκευαστές μετέτρεψαν αυτή την πεποίθηση σε επενδύσεις δισεκατομμυρίων δολαρίων
Η Honda έχει ήδη κατασκευάσει μια πιλοτική γραμμή παραγωγής για την ανάπτυξη των τεχνικών κατασκευής που απαιτούνται για τη μαζική παραγωγή.
Η Toyota εξακολουθεί να στοχεύει στην εμπορική διάθεση αργότερα μέσα στη δεκαετία, ενώ οι Mercedes-Benz, BMW, Stellantis, Hyundai, Samsung SDI, CATL, QuantumScape, Solid Power και Factorial Energy έχουν όλες επεκτείνει την πιλοτική παραγωγή, τις στρατηγικές συνεργασίες ή τα προγράμματα δοκιμών οχημάτων, παρά τις άλυτες επιστημονικές προκλήσεις της τεχνολογίας.
Η Honda έχει επενδύσει περίπου 280 εκατ. δολάρια σε μια γραμμή παραγωγής μπαταριών στερεάς κατάστασης έκτασης 27.400 τετραγωνικών μέτρων στην πόλη Sakura της Ιαπωνίας.
Η εγκατάσταση αναπαράγει ολόκληρη τη διαδικασία παραγωγής, από την ανάμειξη και την επίστρωση των υλικών των ηλεκτροδίων έως τη διαμόρφωση των στοιχείων και τη συναρμολόγηση των μονάδων.
Η παραγωγή μπαταριών είχε προγραμματιστεί να ξεκινήσει τον Ιανουάριο του 2025, με τη Honda να δοκιμάζει το κόστος παραγωγής, τις προδιαγραφές των στοιχείων και τις μεθόδους μαζικής παραγωγής πριν από την ενσωμάτωσή τους σε οχήματα κατά το δεύτερο μισό της δεκαετίας.
Η Honda χρησιμοποιεί συμπίεση με κυλίνδρους (roll-pressing) για τη συμπίεση του στερεού ηλεκτρολύτη κατά τη συναρμολόγηση, μειώνοντας τα μικροσκοπικά διάκενα αέρα που εμποδίζουν τη μεταφορά ιόντων, ενώ παράλληλα απλοποιεί τη μαζική παραγωγή.
Η εταιρεία αναπτύσσει επίσης λεπτότερα συστήματα ψύξης, τα οποία καθίστανται δυνατά χάρη στη μεγαλύτερη θερμική σταθερότητα των μπαταριών στερεάς κατάστασης, μειώνοντας τόσο το βάρος της μπαταρίας όσο και την πολυπλοκότητα της παραγωγής.
Η Mercedes-Benz έχει ήδη θέσει μια μπαταρία στερεάς κατάστασης σε δημόσιους δρόμους.
Νωρίτερα φέτος, η εταιρεία παρουσίασε μια τροποποιημένη EQS εξοπλισμένη με στοιχεία λιθίου-μετάλλου που προμηθεύτηκε από τη Factorial Energy.
Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, το όχημα διένυσε 1.205 χιλιόμετρα μεταξύ Στουτγάρδης και Μάλμε με μία μόνο φόρτιση και ολοκλήρωσε το ταξίδι με εκτιμώμενη υπολειπόμενη αυτονομία 137 χιλιομέτρων.
Η BMW δοκιμάζει στοιχεία μεγάλης μορφής της Solid Power σε ένα i7 στους δημόσιους δρόμους γύρω από το Μόναχο.
Το πρόγραμμα εξετάζει τη διαστολή των στοιχείων, την πίεση λειτουργίας και τον έλεγχο της θερμοκρασίας μέσα σε ένα πλήρες πακέτο μπαταριών οχήματος.
Η BMW έχει επίσης αδειοδοτήσει την τεχνολογία παραγωγής της Solid Power για μια πρωτότυπη γραμμή παραγωγής στοιχείων στο Cell Manufacturing Competence Center στο Parsdorf.
Η Idemitsu κατασκευάζει μια μεγάλη πιλοτική εγκατάσταση για την παραγωγή θειούχων στερεών ηλεκτρολυτών, ενός από τα σημαντικότερα στοιχεία των μπαταριών επόμενης γενιάς της Toyota.
Η μονάδα θα παράγει θειούχο λίθιο χρησιμοποιώντας θείο που ανακτάται από τη διύλιση πετρελαίου, πριν το μετατρέψει σε υλικό στερεού ηλεκτρολύτη για μπαταρίες αυτοκινήτων.
Η Toyota σχεδιάζει να ξεκινήσει την εμπορική παραγωγή οχημάτων που θα χρησιμοποιούν την τεχνολογία κατά την περίοδο 2027-2028.
Τι ακολουθεί;
Το μυστήριο των μπαταριών στερεάς κατάστασης έχει πλέον αντικατασταθεί από ένα πρόβλημα σχεδιασμού.
Οι ερευνητές γνωρίζουν πλέον ότι η αποτροπή των ρωγμών στον ηλεκτρολύτη και η καταστολή των τοπικών συγκεντρώσεων ηλεκτρικού ρεύματος θα καθορίσουν το εάν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μπορούν να αντέξουν επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης εκτός εργαστηρίου.
Ωστόσο, η εμπορική αξιοποίηση δεν είναι δεδομένη. Μόλις επιλυθούν τα πλέον γνωστά προβλήματα μέσω του σχεδιασμού, θα εναπόκειται στους κατασκευαστές να αποδείξουν ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μπορούν να παράγονται με συνέπεια σε κλίμακα αυτοκινητοβιομηχανίας, να αντέχουν χιλιάδες κύκλους φόρτισης και να επιτυγχάνουν επίπεδα κόστους που να ανταγωνίζονται τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι εταιρείες συνεχίζουν να επενδύουν εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια σε πιλοτικές γραμμές παραγωγής χρόνια πριν από την άφιξη των οχημάτων μαζικής αγοράς.
Η Toyota εξακολουθεί να αναμένει να παρουσιάσει τις πρώτες της μπαταρίες στερεάς κατάστασης την περίοδο 2027-2028.
Η Honda στοχεύει στο δεύτερο μισό της δεκαετίας. Η Mercedes-Benz, η BMW και αρκετοί κατασκευαστές μπαταριών έχουν ήδη περάσει από τα εργαστηριακά στοιχεία σε οχήματα που κινούνται σε δημόσιους δρόμους. Αυτή πρόκειται να εξελιχθεί σε μια βιομηχανική κούρσα.
www.worldenergynews.gr
