Co może sprawić, że samochody elektryczne będą tańsze? Wprowadzenie do masowej produkcji nowej technologii produkcji baterii trakcyjnych, opartych o łatwo dostępne surowce. Wiele nadziei pokładanych jest w bateriach sodowo-jonowych. Dlatego dziś sprawdzimy, z jakich materiałów produkowane są te baterie, jakie są ich wady i zalety, a także sprawdzimy, w jakich samochodach są one już stosowane.

Nowe baterie trakcyjne do aut elektrycznych – szansa dla producentów, szansa dla mechaników

Wszyscy, no może prawie wszyscy, czekają na przełom, który sprawi, że elektromobilność stanie się bardziej dostępna i opłacalna. Wprowadzenie nowych, tanich baterii, pozwoliłoby zwiększyć zainteresowanie zakupem aut elektrycznych.

Ponadto zacząłby funkcjonować rynek używanych aut EV, który przy dzisiejszych cenach baterii trakcyjnych boryka się z problemami. Każdy, kto zechce kupić używane auto elektryczne zastanowi się na tym, jaki jest sens inwestowania kilkudziesięciu tys. złotych w nową baterię trakcyjną. Oczywiście, nie ma żadnego.

Wprowadzenie na rynek nowych, tanich baterii trakcyjnych to również ogromna szansa dla warsztatów samochodowych. Te w obliczu kurczącego się rynku aut spalinowych, mogłyby zacząć oferować usługi związane z wymianą baterii w samochodach EV.

Rewolucji było wiele… Jak na razie większego przełomu brak

O rewolucjach związanych z produkcją baterii trakcyjnych do aut elektrycznych słyszymy każdego miesiąca. Niestety, jak na razie przełomu brak i pod maskami aut elektrycznych nadal dominują baterie litowo-jonowe, drogie i produkowane z wykorzystaniem rzadkich minerałów.

Poza poszukiwaniami nowych rozwiązań w dziedzinie produkcji samych baterii, producenci stosują czasami rozwiązania „szokujące” dla zwolenników elektromobilności. Przykładem może być technologia HORSE POWERTRAIN, opracowana na potrzeby koncernów Geely i Renault. Polega ona na tym, że w autach stosowana będzie o połowę mniejsza bateria litowo-jonowa (co zmniejszy koszty auta), a pojazd będzie wyposażony w silnik spalinowy benzynowy, pełniący rolę range extendera (do napędu prądnicy). Rozwiązanie, reklamowane jako „nowoczesne” znamy już od co najmniej 15 lat. Było ono stosowane w samochodach Opel Ampera i Chevrolet Volt.

W małych samochodach (na przykład Bollore) stosowano baterie litowo-polimerowe.

Czy baterie sodowo-jonowe zmienią rynek? Technologia produkcji baterii sodowo-jonowych.

Drogie minerały to drogie baterie. Przykładem są baterie litowo – jonowe. Dlatego jeśli ktoś chce zrewolucjonizować rynek, musi zbudować baterie z surowców tanich i łatwo dostępnych. Baterie sodowo-jonowe są produkowane z sodu, żelaza i węgla. Anoda baterii sodowo-jonowej produkowana jest z twardego węgla (jak w baterii litowo-jonowej), a katoda z fosforanu sodowo – wanadowego. Twardy węgiel to nie grafit.

Proces produkcji baterii sodowo-jonowych jest dokładnie taki sam, jak w przypadku baterii litowo-jonowych. Zatem znani i mniej znani producenci mogą łatwo przejść na nową technologię.

Koszty pozyskania składników są znacząco niższe niż w przypadku baterii litowo – jonowych. Ponadto składniki do produkcji baterii sodowo-jonowych można pozyskać w większości krajów na świecie, np. w Polsce. To oznacza, że produkcja tych baterii jest wolna od konieczności współpracy z krajami niestabilnymi (jak np. Kongo) czy prowadzącymi agresywną politykę ekonomiczną (np. Chiny), które są dostawcami np. litu.

Jak działają baterie sodowo-jonowe?

Początkowo baterie sodowo-jonowe krytykowano za niższą gęstość energii niż w przypadku baterii litowo-jonowych. Przykładowo, współczesne baterie litowo-jonowe, używane w samochodach elektrycznych osiągają gęstość nawet do 300 Wh/kg, podczas gdy maksymalna gęstość energii baterii sodowo-jonowej to ok. 160 Wh/kg, a planowana do osiągnięcia to ok. 200 Wh/kg.

Krytykowano też szybszą degradację ogniw, niż w przypadku baterii litowo – jonowych.

Jednak nie ma róży bez ognia. Technologia produkcji baterii sodowo-jonowych pozwala na produkcję baterii o mniejszej pojemności i mniej trwałych, ale za to wielokrotnie tańszych od baterii litowo-jonowych. To sprawia, że baterie sodowo-jonowe można montować w tańszych samochodach (co już się dzieje – o tym dalej) a litowo-jonowe w droższych albo takich, gdzie klientowi zależy na większym zasięgu.

Można też dać klientowi wybór – auto z tańszą lub droższą baterią. Czy nie byłoby to dobre rozwiązanie?

Podobnie jak w kwestii naprawy auta elektrycznego w warsztacie samochodowym, gdzie klient miałby do wyboru drogą baterię litowo-jonową i tanią sodowo-jonową, a może także i inne. Tak, jak obecnie przy samochodach spalinowych, gdzie klient może wybrać część oryginalną albo zamiennik. Czy takie postępowanie nie rozruszałoby rynku używanych aut elektrycznych, rynku producentów baterii (w tym krajowych, skoro surowce do pozyskania baterii można znaleźć w Polsce), rynku warsztatowego, a co za tym idzie, wpływów podatkowych?

Tak na marginesie, po zastosowaniu fosforanu sodowo-wanadowego naukowcy poinformowali, że są w stanie zwiększyć gęstość energii w bateriach sodowo-jonowych do 458 Wh/kg, co pozwoliłoby w ogóle wyeliminować konieczność produkcji baterii litowo-jonowych. Ale to dopiero badania. Baterii sodowo-jonowych o takiej gęstości nikt jeszcze nie produkuje.

Jak działa bateria sodowo – jonowa Na-ion SIBs?

Jony sodu Na+ są nośnikami ładunku elektrycznego. Jony sodu Na+ podczas procesów ładowania i rozładowywania poruszają się pomiędzy anodą a katodą.

Jak produkuje się baterie sodowo – jonowe?

Proces produkcji baterii sodowo-jonowych jest dokładnie taki sam, jak w przypadku baterii litowo-jonowych. Można tu wyróżnić cztery etapy produkcji:

1. Przygotowanie materiałów do produkcji anody i katody.

Anoda baterii sodowo – jonowej produkowana jest z twardego węgla (hard carbon). Materiał do produkcji hard carbon pozyskiwany może być z odpadów, takich jak biomasa, drewno i smoła. Można go też produkować z węglowodanów. To znacząco obniża koszty. Twardy powstaje w procesie karbonizacji prekursorów, czyli zwęgleniu materiałów organicznych w wysokiej temperaturze od 800 do 1200 st. C.

Katoda baterii sodowo – jonowej produkowana jest z bieli pruskiej (Prussian Blue), materiału opartego o żelazo i sodę albo z fosforanu sodowo – wanadowego. Ten drugi materiał zapewnia znacząco wyższą gęstość baterii, która przewyższa parametry baterii litowo- jonowych (o czym wspomnieliśmy wcześniej). Katoda baterii sodowo – jonowej powstaje w procesach kontrolowanych reakcji chemicznych.

2. Przygotowanie elektrolitu

Elektrolit do baterii sodowo-jonowych najczęściej produkowany jest z roztworu soli sodowej w rozpuszczalnikach organicznych. Stosuje się węglan etylenu albo węglan propylenu. Trwają prace nad zastosowaniem elektrolitów stałych.

3. Montaż ogniw

Każde ogniwo baterii sodowo-jonowej jest zbudowane z anody, katody, elektrolitu i separatora przeciwzwarciowego z polipropylenu.  Stosuje się różne obudowy ogniw, na przykład aluminiowe. Najczęściej w bateriach samochodowych wykorzystuje się ogniwa cylindryczne.

4. Po zakończonym montażu ogniwa są formowane (ładowane – rozładowywane w kontrolowanych procesach) a następnie testowane pod kątem określonych parametrów.

Baterie sodowo – jonowe. Tańsze i bezpieczniejsze niż baterie litowo – jonowe

Sód, niezbędny do produkcji baterii sodowo – jonowych jest 1000 – razy łatwiej dostępny niż lit… I o wielokroć tańszy. Materiały do produkcji i do procesów produkcyjnych (np. karbonizacji przy produkcji anody) mogą być pozyskiwane z odpadów i bioodpadów.

Co ważne – baterie sodowo-jonowe są bardziej odporne na przegrzewanie i możliwość samozapłonu niż baterie litowo-jonowe.

Do tego, dzięki ich wyższej odporności na przegrzewanie, układ chłodniczy w samochodzie elektrycznym mógłby mieć prostszą konstrukcję. Przez to byłby tańszy. I w efekcie, samochód elektryczny byłby tańszy w produkcji i zakupie.

Trwałość baterii sodowo – jonowych

Największą wadą pierwszych baterii sodowo – jonowych była ich niska trwałość. Baterie wytrzymywały od 100 do 300 cykli ładowania. Jednak obecnie produkowane baterie osiągają wartości od 1500 do 3500 cykli ładowania.

Sprawdźmy trwałość takiej baterii w praktyce. Załóżmy, że samochód elektryczny ma niewielką, tanią baterię sodowo – jonową o pojemności, zapewniającej mu zasięg do 200 kilometrów. Załóżmy, że bateria jest zazwyczaj ładowana do 70 – 80 procent pojemności (tak, jak litowo-jonowa), co pozwala na przejechanie do 150 km na jednym ładowaniu.

Jeśli bateria zapewni 2000 cyklów ładowania, to kierowca przejedzie autem nawet 300.000 kilometrów, bez potrzeby wymiany baterii. Jeśli uda się osiągnąć wyższe wartości i bateria zapewni 4000 cyklów ładowania, to auto osiągnie przebieg nawet 600.000 kilometrów, bez potrzeby wymiany baterii. Średnio kierowca pokonuje od 15.000 do 20.000 kilometrów rocznie. Czy nie brzmi to obiecująco?

W jakich samochodach montuje się baterie sodowo-jonowe?

Wielki producent samochodów elektrycznych, firma BYD, zbudował największą fabrykę (jak na razie) baterii sodowo-jonowych w Xuzhou. Wartość inwestycji to 1,4 mld USD. Jednak jak na razie (rok 2025) nie ma na rynku samochodów BYD wyposażonych w baterię sodowo-jonową. Są za to auta innych producentów.

JAC Yiwei 3, 5-drzwiowy samochód miejski, którego wygląd przypomina skrzyżowanie Mini z Matizem. Auto wyposażone jest w baterię 25 kWh, która zapewnia mu 252 km zasięgu. Wymiary auta: 4025x1770x1560 mm. Samochód w Chinach kosztuje ok. 11000 USD.

Dongfeng Nammi 01, 5-drzwiowy samochód subkompaktowy. Jest wyposażony w baterię zapewniającą mu ok. 250 km zasięgu, prawdopodobnie o pojemności 34,5 kWh. Wymiary auta: 4030x1810x1570 mm.

Jiangling Motors Group  JMEV EV3, samochód miejski klasy A, wyposażony w baterię sodowo – jonową o pojemności 21,4 kWh, zapewniającą mu zasięg do 250 km. Wymiary auta 3720x1640x1485 mm. Auto kosztuje w Chinach równowartość 8500 USD.

Przyszłościowe zastosowanie baterii sodowo – jonowych w samochodach

• Renault Twingo E-Tech – być może zostanie wyposażone w baterię sodowo – jonową w latach 2025 – 2026.
• Małe auta elektryczne firmy Nissan.
• Huaihai – chiński producent mikrosamochodów.
• Producenci europejscy (BMW, Volkswagen) stawiają na pakiety hybrydowe, w których wykorzystywane są i ogniwa sodowo – jonowe i ogniwa litowo – jonowe. Takie hybrydowe baterie mają być montowane w samochodach hybrydowych PHEV.

Czy baterie sodowo – jonowe okażą się oczekiwanym przełomem na rynku aut elektrycznych? Pokażą to najbliższe lata.