Ewolucja akumulatorów kilkakrotnie w swojej historii zmieniała kierunek – w naszym artykule analizujemy obecnie widoczne trendy dotyczące najbliższej przyszłości, opisując zalety i wady głównych technologii.

Jak działa akumulator?

Najpierw spójrzmy, jak działa akumulator. Jego funkcją jest wytwarzanie i elektrochemiczne magazynowanie prądu elektrycznego, w którym naładowane elektrycznie cząstki aby wytworzyć prąd elektryczny przepływają z bieguna ujemnego do bieguna dodatniego. Podczas rozładowania, zmagazynowana energia jest zamieniana na energię elektryczną. Katoda jest stroną dodatnią baterii, a anoda stroną ujemną. Przepływ ładunku elektrycznego między stroną dodatnią i ujemną zapewnia roztwór zwany elektrolitem.

Historia akumulatora sięga początku XIX wieku, a jego powstanie wiąże się z nazwiskiem włoskiego fizyka Alessandro Volty. Stworzone przez niego ogniwo galwaniczne było bardzo szczątkowym rozwiązaniem: składało się z pasków miedzi-cynku i tektury, oddzielonych od siebie wilgotną skórą. W ciągu ostatnich dwustu lat akumulator przeszedł wiele zmian i stał się istotną częścią naszego codziennego życia.

Technologia litowo-jonowa

Jest to obecnie najczęściej używany typ akumulatora, opatentowany w latach 90., a jego głównymi surowcami są lit, grafit (anoda), kobalt, nikiel i mangan (katoda). Zadaniem niklu jest zapewnienie wysokiej gęstości energii, a kobalt, najcenniejszy składnik, pomaga ograniczyć przegrzewanie. Zarówno anoda, jak i katoda mogą przechowywać lit. Akumulator litowo-jonowy może wytrzymać dwa tysiące cykli ładowania i rozładowania bez znaczącej utraty pojemności. Dostępna gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych wynosi obecnie 250 Wh/kg, podczas gdy wcześniejsze akumulatory NiMH miały 80-90 Wh/kg, a współczesny akumulator kwasowo-ołowiowy wartość tylko 40-60 Wh/kg – tak wyraźnie widoczna jest tendencja wzrostowa gęstości energii, co wiąże się również ze spadkiem wagi akumulatorów. Trwają badania nad zastąpieniem grafitu krzemem, ponieważ pojemność właściwa tego materiału jest dziesięciokrotnie wyższa niż pojemność właściwa grafitu. Ludzkość produkuje i zużywa rocznie 160 000 ton trudno dostępnego litu, głównie do produkcji akumulatorów. Największe kraje wydobycia litu to Chile, Australia, Chiny i Argentyna.

Technologia litowo-siarkowa (Li-S)

W przypadku technologii litowo-siarkowej materiał katody zmienia się z litowanego tlenku metalu na litowo-siarkowy, co zapewnia gęstość energii do 400 Wh/kg. Jest tańsza niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, ponieważ metale rzadkie są zastępowane siarką, dzięki czemu cena akumulatorów staje się znacznie korzystniejsza. W pierwszych wersjach elektroda siarkowa szybko rozkładała się podczas użytkowania, co powodowało szybkie zużycie akumulatora. Problem ten wynikał z faktu, że cykle ładowania-rozładowania obejmowały rozszerzanie się, a następnie kurczenie objętościowe elektrody siarkowej i nie zapewniały wystarczającej przestrzeni dla rozszerzenia elektrody. To generowało napięcia i powodowało pęknięcia.

Technologia tlenku litowo-niklowo-manganowo-kobaltowego (NMC)

Zwiększając zużycie manganu i litu oraz zmniejszając ilość kobaltu, można osiągnąć wyższą gęstość energii i większe bezpieczeństwo w budowie, ponieważ kobalt jest również niezwykle rzadki – dwie trzecie globalnej podaży wydobywa się w Republice Demokratycznej Kongo.

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP)

Tesla i Ford stosują już w niektórych swoich pojazdach akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LFP), który jest trwały i tani, ale nie może magazynować tyle energii, co wersja litowo-jonowa. Jego wadą jest to, że ładowanie trwa dłużej i mogą wystąpić problemy z wydajnością, gdy temperatura spadnie poniżej zera stopni Celsjusza. Powszechne jest stosowanie tego typu akumulatorów w tańszych modelach o mniejszym zasięgu – obecnie są one używane w większej liczbie w taksówkach i autobusach.

Akumulator półprzewodnikowy

Obejmuje rozwiązanie techniczne o wyższej gęstości energii niż wymienione technologie, może być ładowany szybciej i jest mniej łatwopalny, ale ma krótszą żywotność niż akumulatory litowo-jonowe. W ogóle nie zawiera ciekłego elektrolitu, zamiast niego cienkie, stałe warstwy elektrolitu transportują jony, więc nie ma powodu by martwić się o wyciek. Wśród producentów OEM w jego rozwój zaangażowane są Toyota, Volkswagen, Ford, BMW i Hyundai. Szacuje się, że masowa produkcja nastąpi najwcześniej w ciągu 5 lat, kiedy to będzie musiała osiągnąć psychologiczny limit kosztów 100 USD/kWh, aby konkurować z technologią litowo-jonową. Dziś udowodniono już, że prototyp może osiągnąć gęstość energii 400-500 Wh/kg w warunkach laboratoryjnych – wystarczy go udoskonalić, jednak za cenę około ośmiokrotnie wyższą niż obecny akumulator litowo-jonowy.

Akumulator i elektromobilność – czy to może być przyszłość?

Dziś cena akumulatorów wynosi jedną czwartą ceny nowych samochodów elektrycznych – rynku w dużej mierze zajmowanego przez azjatyckich producentów. Producenci OEM starają się wytwarzać ten komponent wewnętrznie, aby zmniejszyć zależność od złożonych łańcuchów dostaw i niepewności wynikającej ze środowiska zewnętrznego. Wojna rosyjsko-ukraińska zmusiła Volkswagena do tymczasowego zamknięcia swojej największej fabryki samochodów elektrycznych w Zwickau, ponieważ dostawy części z Ukrainy w wyniku wojny stały się niestabilne.

Jednak nie tylko skrócenie łańcucha dostaw może w przyszłości wpłynąć na obniżenie ceny. Używając akumulatorów, które można szybciej ładować, magazynują więcej energii i lepiej zarządzają ciepłem, klienci będą mieli również większe szanse na przejście na samochody elektryczne.

Udoskonalenie technologii to nie wszystko – o dziwo, ulepszenie konstrukcji również może bardzo pomóc. Obecnie pokrywa, obudowa i inne części stanowią 70% całego akumulatora, podczas gdy rzeczywista część magazynująca energię stanowi tylko 30%. Rozwiązaniem może być konstrukcja ogniwa do podwozia, w której ogniwa są zintegrowane bezpośrednio z ramą pojazdu, bez oddzielnej obudowy akumulatora.

Jednak według badań technologia litowo-jonowa w samochodach elektrycznych będzie nam towarzyszyć jeszcze przez długi czas – jednym z powodów jest cena, która w 2023 roku ma wynieść 100 USD za kilowatogodzinę. Innym powodem jest trwałość tych akumulatorów – sprzedawany dziś akumulator w aucie elektrycznym ma spore szanse na przetrwanie samego pojazdu.