Baterie ze stałym elektrolitem Toyoty - co wiadomo do tej pory?

Toyota jest znana jako pionier elektryfikacji samochodów i największy producent hybryd. Jednocześnie marka inwestuje w rozwój technologii pojazdów na wodór. To jednak nie znaczy, że największy producent samochodów rezygnuje z aut na baterie. Wręcz przeciwnie – specjalnie z myślą o BEV marka opracowała platformę e-TNGA oraz prowadzi ostatnie prace nad nową generacją baterii, które mają szansę zrewolucjonizować rynek samochodowy. Chodzi oczywiście o baterie litowo-jonowe ze stałym elektrolitem.
 

Na rynku pojawiają się kolejne samochody elektryczne na baterie, które zyskują coraz większy zasięg, krótszy czas ładowania i lepsze osiągi. Jednak żeby auta te stały się dominujące na rynku, potrzebują technologicznego przełomu. Odpowiedzią mogą się okazać baterie ze stałym elektrolitem. Toyota prowadzi badania nad tą technologią od 2012 roku, a w 2020 roku ogłosiła, że opracowała już pierwszy samochód elektryczny oparty na tym rozwiązaniu. Prototyp zostanie zaprezentowany jeszcze w tym roku.

Baterie litowo-jonowe ze stałym elektrolitem mają wiele atutów, dzięki którym w ciągu kilku lat zapewne staną się równie powszechne jak stosowane obecnie baterie li-ion z elektrolitem płynnym. Do najważniejszych należy krótszy czas ładowania i większa gęstość energii, która pozwoli wydłużyć zasięg. Ale zanim to nastąpi, naukowcy muszą się zmierzyć jeszcze z kilkoma problemami. Choć baterie ze stałym elektrolitem są badane od lat 50. ubiegłego wieku, a pierwsze komercyjne zastosowania pojawiły się w 2011 roku za sprawą firmy Bollore, technologia ta wciąż nie osiągnęła jeszcze takiego poziomu zaawansowania, by można było rozpocząć masową produkcję.

Jak działają baterie ze stałym elektrolitem?

Baterie te opierają się na stałym elektrolicie, który zastępuje elektrolit płynny lub żel polimerowy, stosowane obecnie w bateriach litowo-jonowych. Zasada działania obu rodzajów ogniw jest w zasadzie taka sama. Katoda i anoda są oddzielone elektrolitem, przez który przenikają naładowane jony. Podczas uwalniania energii na anodzie dochodzi do procesu utleniania, w którym uwalniane są elektrony. Ich ruch powoduje powstawanie prądu.

Baterie ze stałym elektrolitem mogą mieć od dwóch do ośmiu razy większą gęstość energii niż zwykłe baterie litowo-jonowe. Jednocześnie ryzyko zapłonu jest w ich przypadku dużo niższe. Dzięki temu wymagają mniej zabezpieczeń, co pozwala uwolnić miejsce dla większej liczby ogniw w obudowie tej samej wielkości. Kolejną zaletą jest to, że nowy typ baterii generuje o 70-80 procent mniej ciepła niż standardowe ogniwa. W jej konstrukcji udało się także uniknąć toksycznych substancji, które są stosowane obecnie. Szybsze ładowanie, większa żywotność i wyższe napięcie to kolejne korzyści.

Co wiadomo o baterii Toyoty?

Toyota zgłosiła w ciągu dekady, tj. od 2009 do 2018 roku, ponad 1500 patentów dotyczących baterii ze stałym elektrolitem. To kilkakrotnie więcej niż pozostali gracze zajmujący się tą technologią. Jej rozwojowi sprzyja również to, że japońskie firmy i ośrodki naukowe mogą korzystać z rządowego funduszu na badania nad zielonymi technologiami w wysokości 10 mld dolarów.

Toyota deklaruje, że jej nowa bateria ze stałym elektrolitem może zapewnić zasięg do 500 km i czas ładowania od 0 do 100 procent w 10 minut. A to wszystko przy bardzo wysokim poziomie bezpieczeństwa. Nowe baterie japońskiego producenta mają zapewniać dwa razy większy zasięg w porównaniu z tradycyjną baterią li-ion o tej samej wielkości.

Pierwszy elektryczny samochód Toyoty z baterią ze stałym elektrolitem będzie SUV-em zbudowanym na nowej platformie e-TNGA. Prototyp nowego modelu ma zostać zaprezentowany w 2021 roku. Wersji produkcyjnej można się spodziewać około 2023 lub 2024 roku. Toyota już pracuje nad technologiami masowej produkcji nowego rodzaju baterii oraz organizuje łańcuchy dostaw. W tworzenie potrzebnej infrastruktury angażują się też japońscy poddostawcy. Mitsui Minings uruchomi niedługo pilotażowy zakład produkujący stałe elektrolity do baterii. Począwszy od przyszłego roku, zakład będzie miał możliwości produkcyjne na poziomie dziesiątek ton stałego elektrolitu rocznie. To wystarczy na pokrycie zamówień na potrzeby prototypowych samochodów.

Konieczne dalsze prace rozwojowe

Baterie ze stałym elektrolitem to bardzo obiecująca technologia, ale jej obecne stadium rozwoju nie pozwala na uruchomienie masowej produkcji od razu. Naukowcy muszą uporać się jeszcze z ostatnimi problemami, typowymi dla wczesnych technologii. Pierwszym z nich jest koszt produkcji. W 2012 roku jedna bateria ze stałym elektrolitem 20 A/h kosztowała 100 000 dolarów, a samochód elektryczny potrzebuje tysiąc takich baterii. Jednak obecnie wygląda na to, że Toyocie udało się znacząco obniżyć te koszty, skoro planuje wprowadzić to rozwiązanie na rynek w najbliższych latach.

Drugą kwestią jest mała odporność na niskie temperatury, a trzecią utrata pojemności z powodu tworzenia się dendrytów. Już dawno zauważono, że podczas ładowania i rozładowywania baterie ze stałym elektrolitem mają tendencję do tego, by na anodzie podczas ładowania powstawały struktury przypominające igły. Z czasem dendryty stają się coraz większe i uszkadzają baterię. Na szczęście rozwiązanie tego problemu zostało opracowane przez naukowców w 2018 roku.

Nad bateriami ze stałym elektrolitem pracuje wiele ośrodków naukowych oraz firm – zarówno z branży motoryzacyjnej, jak i technologicznej. Analitycy oceniają, że ten nowy rodzaj akumulatorów zdominuje rynek w ciągu zaledwie pięciu lat. Jednocześnie jednak obecnie stosowane baterie litowo-jonowe z ciekłym lub żelowym elektrolitem stają się coraz tańsze i bardziej wydajne. Między rokiem 2010 a 2020 ich ceny spadły o 88 procent. To pokazuje, że postęp technologiczny w dziedzinie baterii będzie nadal napędzał rozwój zelektryfikowanych samochodów.