Μπαταρίες στερεού τύπου: Η επόμενη ημέρα των EV

Τον τελευταίο καιρό η μια αυτοκινητοβιομηχανία μετά την άλλη ανακοινώνουν κέντρα έρευνας και εξέλιξης και πιλοτικές μονάδες παραγωγής για μπαταρίες στερεού τύπου, οι οποίες αν και προς το παρόν δεν αποτελούν πραγματικότητα για κανένα ηλεκτροκίνητο μοντέλο, αντιμετωπίζονται ως το «άγιο δισκοπότηρο» του μέλλοντος της ηλεκτροκίνησης.

Ενδεικτική της αντιμετώπισης της συγκεκριμένης τεχνολογίας είναι ότι ανάλογα projects με στόχο την κατασκευή μπαταριών με στερεό ηλεκτρολύτη έχουν ξεκινήσει οι όμιλοι Toyota, BMW, Ford, Μercedes-Benz, Renault και Nissan προσβλέποντας στη μαζική παραγωγή τους ως το τέλος της δεκαετίας.

Υγρός Vs Ξηρού ηλεκτρολύτη

Αν και όπως σε όλες τις τεχνολογίες που συνοδεύονται από brand name, αναμενόμενα θα υπάρξουν διαφοροποιήσεις σε τεχνικό επίπεδο, η βασική διαφορά σε σχέση με τις ήδη υφιστάμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι, όπως υποδηλώνει και η ονομασία τους, ότι ο υγρός ηλεκτρολύτης αντικαθίσταται με στερεό/ξηρό ηλεκτρολύτη.

Οι βασικές αρχές λειτουργίας των μπαταριών είναι ότι αποτελούνται από ένα ανόδιο και ένα καθόδιο, ανάμεσα στα οποία βρίσκεται ένας πορώδης διαχωριστής από πολυμερές και ο ηλεκτρολύτης ο οποίος επιτρέπει τη μετακίνηση των ιόντων λιθίου ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια, δημιουργώ[1]ντας τις χημικές αντιδράσεις που επιτρέπουν τη φόρτιση/εκφόρτιση της μπαταρίας.

Στην περίπτωση των γνωστών μπαταριών ιόντων λιθίου, το ανόδιο αποτελείται συνήθως από γραφίτη ή πυρίτιο, στοιχεία που συνδυαστικά με τον υγρό ηλεκτρολύτη έχουν την τάση κατά τη διαδικασία ταχείας φόρτισης/ εκφόρτισης της μπαταρίας να δημιουργούν σχηματισμούς, γνωστούς ως δενδρίτες, που διαπερνούν τον πορώδη διαχωριστή και δημιουργούν βραχυκυκλώματα, καταστρέφοντας προοδευτικά την μπαταρία.

Το παραπάνω φαινόμενο θεωρείται ως ένα από τα μειονεκτήματα στην εξέλιξη των μπαταριών ιόντων λιθίου καθώς η ίδια τους η σύσταση από υγρό ηλεκτρολύτη ευνοεί την ανάπτυξη δενδριτών, ένα ζήτημα που δεν μπορεί να ξεπεραστεί ολοκληρωτικά, ενώ το δεύτερο μειονέκτημα είναι ο μεγαλύτερος όγκος που προκύπτει από τις ανάγκες της συγκεκριμένης κατασκευής.

Καθολικό πλεονέκτημα

Αντιθέτως, στις μπαταρίες στερεού τύπου η παρουσία ξηρού ηλεκτρολύτη δεν ευνοεί τη δημιουργία δενδριτών, επιτρέποντας παράλληλα, χάρη στη διαφορετική σύσταση του ανοδίου από λίθιο-μέταλλο, μία σημαντική αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών που υπολογίζεται από 50% έως 80%.

Αν όλα τα παραπάνω ακούγονται υπερβατικά ή παραπάνω σύνθετα από όσο χρειάζεται, αυτό που αξίζει να συγκρατήσει κανείς είναι ότι επί της ουσίας οι μπαταρίες στερεού τύπου προδιαγράφονται ακόμα πιο ασφαλείς και αξιόπιστες σε βάθος χρόνου ακριβώς λόγω της απουσίας οργανικών ηλεκτρολυτών, εγγυώνται έως και 80% μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα για μια κυψέλη ακριβώς ίδιου όγκου με τις σημερινές ιόντων λιθίου, κάτι που σημαίνει σαφώς μεγαλύτερη ηλεκτρική αυτονομία χωρίς να χρειαστεί να μεγαλώσουν ταυτόχρονα και οι χώροι που καταλαμβάνουν οι μπαταρίες, αλλά και υπόσχονται μειωμένους χρόνους φόρτισης, με τις πρώτες εκτιμήσεις να κάνουν λόγο για χρόνο μικρότερο των 15% λεπτών για το «εθιμοτυπικό» ποσοστό αναπλήρωσης ενέργειας από 10%-80%.

Ενδεικτικά μόνο θα αναφέρουμε ότι σύμφωνα με την Toyota, η οποία ασχολείται με την εξέλιξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας μπαταριών ήδη από το 2012 έχοντας κατοχυρώσει πάνω από 1.000 πατέντες προκειμένου να τις φέρει στην παραγωγή, ένα μικρού μεγέθους αυτοκίνητο θα μπορεί να προσφέρει αυτονομία που υπερβαίνει τα 700 χλμ. μετά από μία πλήρη φόρτιση και κάπως έτσι αντιλαμβάνεται κανείς το ενδιαφέρον σύσσωμης της αυτοκινητοβιομηχανίας για τη συγκεκριμένη τεχνολογία μπαταριών, η οποία χάρη στο δίπτυχο ενεργειακής πυκνότητας/μικρών χρόνων φόρτισης αντιμετωπίζεται ως η «απόλυτη» λύση στον σκεπτικισμό των οδηγών που αρνούνται να ενδώσουν στην ηλεκτροκίνηση είτε λόγω του λεγόμενου «άγχους της αυτονομίας» είτε διότι πολύ απλά δεν θέλουν να περιμένουν οκτώ ώρες για να ανεφοδιάσουν τα αυτοκίνητά τους.

Για δυνατούς λύτες

Επιπλέον των παραπάνω, οι μπαταρίες στερεού τύπου απαλλάσσονται σε μεγάλο βαθμό από την ανάγκη χρήσης σπάνιων πρώτων υλών όπως το νικέλιο και το κοβάλτιο, οι τιμές των οποίων έχουν εκτοξευθεί λόγω ηλεκτροκίνησης και αφετέρου η εξόρυξή τους είναι ιδιαιτέρως προβληματική τόσο ως διαδικασία όσο και από ανθρωπιστικής πλευράς λόγω της γεωγραφίας των κοιτασμάτων, αναγκάζοντας τους κατασκευαστές να επινοούν και να μετέρχονται σύνθετες μεθόδους όπως η ιχνηλασιμότητα μέσω τεχνολογίας blockchain προκειμένου να διασφαλίσουν ότι το «δικό» τους κοβάλτιο, νικέλιο, γραφίτης κ.ο.κ. έχει εξορυχθεί με τρόπο που δεν επιβαρύνει το περιβάλλον και δεν ενέχει παιδική εργασία.

Βέβαια, όπως και σε κάθε νέα εφεύρεση τα πράγματα με τις μπαταρίες στερεού τύπου δεν είναι απολύτως ρόδινα, καθώς σύμφωνα με τις εκτιμήσεις θα χρειαστεί αρκετός χρόνος προκειμένου να μπορέσουν να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Τα κύρια «αγκάθια» ότι όσο προχωρεί η εξέλιξη και η διάδοσή τους, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου θα έχουν προοδευτικά μειωμένο κόστος παραγωγής ενώ η διαδικασία κατασκευής μπαταριών στερεού τύπου αντιμετωπίζεται αρχικά ως ένα ακριβότερο σπορ λόγω της πολυπλοκότητάς τους. Παράλληλα, σύμφωνα με κατασκευαστές όπως η QuantumScape που προσβλέπουν στην παραγωγή τους και ήδη έχουν θέσει τις βάσεις για αυτή, εκτιμούν ήδη ότι ακόμα και αν επιλυθούν τα ζητήματα τεχνολογίας/ κόστους, η ζήτηση θα ξεπεράσει πολύ γρήγορα την παραγωγή, δημιουργώντας ανάλογα φαινόμενα με την «κρίση» που βλέπουμε σήμερα με την έλλειψη ημιαγωγών και την ηλεκτροκίνηση.