W rozmowach o żywotności, pojemności i szybkości ładowania baterii w samochodach elektrycznych niezmiennie pojawiają się głosy mówiące o rychłym wynalezieniu rozwiązania półprzewodnikowego, które wyeliminuje wiele bolączek, z którymi zmaga się dziś branża BEV. Na razie jednak słyszymy tylko obietnice, a samochodu elektrycznego z akumulatorem półprzewodnikowym jak nie było, tak nie ma.

Podstawowy problem akumulatorów półprzewodnikowych

Należy zauważyć, że nie istnieje żadna oszczędna metoda magazynowania energii elektrycznej. Częściowym rozwiązaniem tej kwestii jest właśnie akumulator, ale jest ono dalekie od ideału. Istnieje również kilka problemów z obecną technologią litowo-jonową stosowaną w samochodach osobowych: mała gęstość energii, która przekłada się na sporą objętość akumulatora i jeszcze większą masę. W pewnym sensie jest to kwadratura koła nie do rozwiązania.

Słuszna krytyka dotyczy ładowania. Tzw. „ładowanie szybkie” nie jest naprawdę szybkie, a jeśli nawet jest, to ma bardzo negatywny wpływ na żywotność akumulatorów – zarówno litowo-jonowych, jak i hybryd niklowo-metalowych.

Konstruktorzy od lat szukają rozwiązań tych kluczowych problemów, a akumulator półprzewodnikowy pozostaje niedoścignionym świętym Graalem.

Baterie aut elektrycznych: struktura, porównanie, materiały

Akumulatory półprzewodnikowe wytwarzane są w technologii, która wykorzystuje elektrody stałe i elektrolit stały zamiast elektrolitu ciekłego lub żelu polimerowego, znanego z baterii litowo-jonowych lub litowo-polimerowych.

Technologia ta nie jest nowa. Elektrolity stałe odkryto w XIX w., ale ich liczne wady uniemożliwiały ich powszechne zastosowanie. Zdarzenia, które nastąpiły pod koniec XX i na początku XXI w. spowodowały ożywienie zainteresowania tym tematem, szczególnie w kontekście pojazdów elektrycznych.

Akumulatory półprzewodnikowe mogą być potencjalnym rozwiązaniem wielu problemów ciekłych akumulatorów litowo-jonowych, takich jak łatwopalność, ograniczone napięcie, słaba wydajność cyklu i nietrwałość.

Materiały sugerowane do wykorzystania jako elektrolity stałe w bateriach półprzewodnikowych to ceramika (np. tlenki, siarczki, fosforany) oraz polimery stałe.

Technologia ta nie jest nowa i już istnieją jej praktyczne zastosowania.

Akumulatory półprzewodnikowe są stosowane w rozrusznikach serca, radiokomunikacji i różnego typu urządzeniach przenośnych. Akumulatory te są potencjalnie bezpieczniejsze, cechuje je większa gęstość energii, a do ich wad należy wysoka cena.

Wiele osób zapomina, choć jest to bardzo ważny aspekt, że zdecydowana większość ciekłych elektrolitów to nie substancje przyjazne dla środowiska. Ok. 90-95% materiałów stosowanych w dzisiejszych akumulatorach można poddać recyklingowi, jednak w praktyce tak wysoki stopień recyklingu uzyskiwany jest rzadko. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo dzisiejszych akumulatorów, to mają one poważne wady – mogą się rozszczelnić, są łatwopalne i szkodliwe dla środowiska. To jest kolejny argument przemawiający za wymianą obecnej technologii.

Laboratorium a rzeczywistość

Akumulator półprzewodnikowy wydaje się świetnym pomysłem w teorii, ale jego praktyczna realizacja jest bardzo skomplikowana. Konstruktorzy napotykają wiele problemów podczas budowy.

Jednym z najlepszych przykładów jest przewodnictwo. Dekadę temu jednogłośny konsensus naukowy był taki, że wymienione materiały są mniej więcej o dwie skale gorszymi przewodnikami niż elektrolity ciekłe. Dzięki ulepszeniom problem nie jest już tak poważny – osiągi elektrolitów stałych zbliżyły się do ciekłych.

Podobnie jest z liczbą cykli ładowania. W przeszłości kardynalnym problemem była zmiana objętości w trakcie użytkowania wskutek zmian temperatury, która w przypadku technologii NCA mogła wynosić ponad 10%, a to powoduje stopniową degradację stałego elektrolitu. Dziś w warunkach laboratoryjnych można osiągnąć ponad 20 000 cykli ładowania.

Napotykamy jednak także przeszkody, których do tej pory nie dało się rozwiązać.

Krótko mówiąc, obecnie nie istnieje odpowiednia technologia produkcji. Ceramiczna płytka, którą chcemy umieścić w baterii musiałaby być niezwykle cienka, mieć mniej więcej dwa mikrometry lub mniej. Jest to niezwykle cienki materiał – dla porównania, kartka A/4 papieru do drukarki ma średnio 80 mikrometrów grubości.

Stosowane dziś w laboratoriach akumulatory półprzewodnikowe wykorzystujące cienkie warstwy ceramiczne są więc w wielu przypadkach tzw. akumulatorami cienkowarstwowymi. To oznacza, że w warunkach laboratoryjnych można osiągnąć odpowiednią łączną grubość anody, katody, elektrolitu stałego/separatora, wynoszącą 2 mikrometry.

W czym więc problem? Niestety, właśnie w tym. Choć cienkie podłoże ceramiczne spełnia kryteria, to stwarza ono kolejny problem nie do przeskoczenia: cienkie ogniwo nie jest w stanie dostarczyć pojemności, która miałaby jakiekolwiek praktyczne zastosowanie w motoryzacji. Aby obejść tę trudność, trzeba by wiele ogniw ułożyć jedne na drugich, co z kolei poważnie pogorszyłoby gęstość energii z uwagi na dużą ilość obojętnego, czy też zbędnego, materiału. W ten sposób wszelkie zalety akumulatorów z ciekłym warstwą elektrolitów zostałyby zniweczone.

Zastąpienie ceramiki polimerami mogłoby załatwić sprawę, ale wtedy pogorszyłoby się przewodnictwo jonowe, bo polimery są znacznie gorszymi przewodnikami jonów niż ceramika.

Czy uda się stworzyć samochód z akumulatorami półprzewodnikowymi?

Wszelkie pomysły są w fazie projektu. Toyota w 2021 r. opracowała projekt koncepcyjny LQ Concept, ale pojazd ten nie trafi do produkcji seryjnej.

Niezależnie od tego, jak utopijny wydaje się w tej chwili akumulator półprzewodnikowy, nie można kategorycznie wykluczyć możliwości przyszłej produkcji seryjnej.

Presja ze strony rynku jest ogromna, środki przeznaczone na badania rosną, więc wciąż istnieje realna szansa, że w ciągu kilku lat uda się znaleźć odpowiednią technologię produkcji, a rozwiązanie może trafić do samochodów w salonach.