Čo sú batérie s pevným elektrolytom (SSB)?

Dnes bežné Li-ion batérie bez ohľadu na použitú chémiu pracujú s tekutým elektrolytom a separátormi zabraňujúcimi kontaktu medzi kladnou a zápornou elektródou.

Pri batériách je pojem katóda a anóda zložitejší a polarita (narozdiel napríklad od elektrónok) závisí od stavu, v ktorom sa batéria nachádza. Keď je galvanický článok vybitý, anóda je záporná a katóda je kladná, pri nabíjaní je to naopak.

Hoci sa technológie Li-ion batérií s tekutým elektrolytom dlhodobo vylepšujú, rastie ich energetická hustota a klesajú výrobné náklady, pomaly už narážajú na svoje limity a stále sa vyskytujú prípady vznietenia, či už z dôvodov výrobnej vady, alebo pri incidentoch s mechanickým poškodením. Pre elektromobilitu nie je ich bezpečnosť na optimálnej úrovni.

Novú kvalitu majú priniesť batérie s pevným elektrolytom (solid-state batteries, SSB), na vývoji ktorých pracuje mnoho spoločností po celom svete a v malých aplikáciách sa už využívajú.

Ako naznačuje už samotný názov, SSB batérie používajú tuhý elektrolyt, ktorý ich činí nielen odolnými voči požiaru, ale umožňuje dosiahnuť o 30-50% vyššiu energetickú hustotu a dvakrát rýchlejšie nabíjanie oproti bežným Li-ion batériám. Vďaka týmto vlastnostiam sa pravdepodobne stanú kľúčom pri dosiahnutí zlomového momentu v elektromobilite.

Kto by nechcel elektromobil s batériou, ktorá sa dokáže nabiť na 80% kapacity za 12 minút, môže mať životnosť až 10 000 nabíjacích cyklov (čo v praxi nikto neabsolvuje, pretože nebude jazdiť s 30-ročným autom) a zabezpečí dojazd dlhší, ako má spaľovák s plnou nádržou benzínu, či nafty?

Problémom je však komplikovaná technológia a výrobné náklady. Kvôli prekonávaniu týchto bariér je podľa odborníkov hromadná výroba SSB batérií pre elektromobily vzdialená tri až päť rokov.

Automobilky a výrobcovia batérií vyvinuli Li-ion batérie s pevným elektrolytom a vyrábajú ich v laboratórnych podmienkach, ale masovú výrobu sa zatiaľ spustiť nedarí. Výzvou je vývoj pevného elektrolytu, ktorý je stabilný, chemicky inertný a pritom je dobrým vodičom iónov medzi elektródami.

Výroba SSB batérií je preto drahá a elektrolyt, ktorý je odolný voči požiaru, je na druhej strane kvôli svoje krehkosti náchylný k praskaniu. Výroba SSB článku batérie stojí v súčasnosti asi osemkrát viac ako článku lítium-iónovej batérie s tekutým elektrolytom, čo by bolo na konkurenčnom trhu elektromobilov neobhájiteľné.

Vývoj však finišuje a zdá sa, že ešte v tejto dekáde sa objaví mnoho značiek elektromobilov s pevnými Li-ion batériami. Naznačujú to plány kľúčových automobiliek.

Toyota oznámila investíciu 13,5 miliardy dolárov do vývoja a výroby batérií pre elektromobily, vrátane SSB, na vývoji ktorých spolupracuje s Panasonicom. Japonská automobilka uviedla, že aktuálne rieši krátku životnosť SSB batérií, ale plánuje spustiť ich hromadnú výrobu do polovice dekády.

Rovnaký zámer má aj konkurencia. Napríklad Ford Motor a BMW investovali do spustenia výroby v spoločnosti Solid Power, ktorá tvrdí, že jej technológia SSB batérií môže poskytnúť o 50% väčšiu hustotu energie ako súčasné lítium-iónové batérie. Ford očakáva, že do polovice desaťročia zníži náklady na batérie o 40%.

Zaujímavé je, že platforma All-Solid-State Platform, vyvinutá spoločnosťou Solid Power, sa dá použiť aj so súčasnými katódami ako NMC 811. S pevným elektrolytom predovšetkým na báze kremíka môže vytvoriť článok, ktorý dodáva 390 Wh/kg. Pre porovnanie, článok Tesla 2170 má energetickú hustotu 260 Wh/kg.

Pre nás zaujímavou informáciou sú plány Volkswagenu, ktorý investuje do americkej batériovej firmy QuantumScape podporovanej aj Billom Gatesom.

QuantumScape plánuje predstaviť svoju batériu pre elektromobily VW, prípadne aj pre ostatné automobilky, v roku 2024. VW uvádza, že batéria ponúkne o 30% väčší dojazd ako Li-ion batérie s tekutým elektrolytom a nabije sa na 80% kapacity za 12 minút. To je menej ako polovičný čas v porovnaní so súčasnými najrýchlejšie sa nabíjacími Li-ion článkami.

Zámer vyrábať elektrické autá s SSB batériami ohlásili aj ďalšie automobilky. Koncern Stellantis zastrešujúci taliansko-americkú automobilku Fiat Chrysler a francúzsky PSA vytvoril spoločný podnik Automotive Cells Co s TotalEnergies a uzavrel partnerstvo s čínskou spoločnosťou Contemporary Amperex Technology Co Ltd (CATL).

Stellantis chce predstaviť SSB batérie do roku 2026, Hyundai Motor má triezvejší odhad. Juhokórejská automobilka investovala do startupu SolidEnergy Systems a SSB batérie plánuje sériovo vyrábať v roku 2030. 4i skôr, alebo neskôr, zdá sa, že nová etapa v histórii elektromobility sa neodvratne blíži.