Anoda, katoda i nešto između (V deo)

Baterije u čvrstom stanju (Solid State Batteries)

„Back by popular demand“ – što bi rekli Amerikanci, ili kako bi to Kesić rekao „Ajmo mi ono naše…“

S obzirom da će tema biti baterije od kojih se očekuje dosta, moraćemo malo i da poradimo na nekim terminima koji se koriste kod baterija. Zašto? Pa da bismo na pravi način mogli da kažemo koliko je velika razlika i koji napredak se očekuje od novih vrsta baterija. Konkretno mislim na “Energy Density” i “Power Density”. Iskreno, trebalo je to i ranije da apsolviramo, ali nekako su svi ostali delovi bili prepuni nečeg novog i nisam video gde bih to mogao da dodam. Pa šta je to i čemu uopšte služi?

“Energy Density” u bukvalnom prevodu dođe “gustina energije” koju baterija može imati. Gustina energije je količina energije koja se može uskladištiti u datoj masi supstance ili sistema. Što je veća gustina energije sistema ili materijala, veća je količina energije uskladištene u njegovoj masi. Uopšteno gledano, materijal može osloboditi energiju u četiri vrste reakcija. Te reakcije su: nuklearne, hemijske, elektrohemijske i električne. Pri izračunavanju količine energije u sistemu ili samoj materiji najčešće se meri samo korisna ili ona količina energije koju možemo izvući. Jedinica za ovo je J/kg, a u svetu EV pričamo o Wh/kg .

Gustina energije je od velike važnosti pri odlučivanju koju vrstu baterije koristiti. Ako jedna baterija ima veću gustinu energije od druge, to znači da naš uređaj može biti manji i / ili težiti manje, dok sadrži istu količinu energije. Uzimajući u obzir ovo, mali tehnološki uređaji poput mobilnih telefona žele bateriju visoke gustine energije, jer mora biti lagana i kompaktna. Međutim, automobil može žrtvovati povećanje mase i koristiti bateriju manje gustine energije koja i košta manje.

Korisnije je da baterija ima visoku gustinu energije. To znači da će naš uređaj moći da isporučuje energiju tokom dužeg vremenskog perioda, što je optimalno za prenosnu elektroniku ili vozila. Međutim, ako uređaj za skladištenje ima veliku gustinu energije, tada je gustina snage obično ugrožena.

“Power Density” ili “gustina snage” je mera izlazne snage po jedinici zapremine. Iako se merenje ne koristi toliko često kao gustina energije, i dalje je korisno za razgovore o energetskim sistemima, posebno za vrstu primene poput transporta. Jedinica je W/m3, a u svetu EV, koristi se Wh/m3.

Korisno je razumeti razliku između gustinu snage u odnosu na gustinu energije. Ako sistem ima veliku gustinu snage, onda može proizvesti velike količine energije na osnovu njegove zapremine. Na primer, mali kondenzator može imati istu izlaznu snagu kao i velika baterija. Budući da je kondenzator fizički dosta manji, ima veću gustinu snage. Ali dok baterija može svoju manju snagu vremenski dugo da daje, kondenzator to što ima može veoma, veoma brzo da isporuči. Pošto svoju energiju brzo oslobađaju, sistemi sa velikom gustinom snage mogu se i brzo napuniti.

Ali šta sve ovo znači? I kako se to poredi? Gustina energije je količina energije u datoj masi (ili zapremini), a gustina snage je količina snage u datoj masi. Razlika između njih dve slična je razlici između energije i snage. Baterije imaju veću gustinu energije od kondenzatora, ali kondenzator ima veću gustinu snage od baterija. Ova razlika dolazi zbog toga što baterije mogu da skladište više energije, ali kondenzatori mogu da daju energiju brže.

Ako sistem ima visoku gustinu energije, onda je u stanju da uskladišti puno energije u maloj količini mase. Velika gustina energije ne mora nužno značiti i veliku gustinu snage. Objekat sa velikom gustinom energije, ali sa malom gustinom snage može obavljati posao relativno dugo.

Primer ove vrste skladištenja energije je mobilni telefon. Njegova snaga će trajati veći deo dana, ali da bi se uređaj napunio, mora biti povezan na drugi izvor napajanja sat vremena ili više. Ovo pokazuje vezu između gustine energije i gustine snage. Na primer, gorivne ćelije će imati vrlo visoke gustine energije, sa relativno niskim gustinama snage.

Ako sistem ima veliku gustinu snage, onda može proizvesti velike količine energije na osnovu svoje mase. Da biste bolje razumeli gustinu energije, mislite o tome da ljudi pale vatru dok kampuju. Došlo je veče pa je vreme za paljenje vatre. Prirodno, vatra se prvo loži potpaljivanjem. Materijal za potpalu mora brzo da sagoreva = velika gustina snage. Jednom kada se vatra upali, potpaljivanje više nije dobar izbor goriva, jer prebrzo gori. Jedan dobar trupac dugo gori. Sada je vatru bolje održavati trupcima, jer imaju visoku gustinu energije.

Sve ovo rekosmo ne da bi neko ispao pametan, već da bismo mogli da kažemo konkretne cifre koje bi pokazale “nadmoćnost” ove nove vrste baterija.

“Solid State Batterry” u nedostatku nekog pametnijeg termina nazovimo “baterijama sa suvim elementima”. O čemu se radi? Pa vremenom se pokazalo da najveći problem po dugovečnost i bezbednost litijum-jonske baterije predstavlja gubitak elektrolita.

Ako ste zbunjeni onda bi valjalo da se malo podsetite drugog dela ove priče, pri čemu vam nudimo link posredstvom kog možete birati i preostala dostupna tri članka. Kako bilo, elektrolit služi kao “autoput” za jone litijuma da prelaze sa katode na anodu i obrnuto. Tada dolazi do formiranja sloja SEI i svega ostalog o čemu smo govorili.

Kada dođe do gubitka elektrolita, dolazi do kratkog spoja i TLR-a (neželjena toplotna lančana reakcija) koji smo pominjali prošli put. Prošli put kod tačke 5. u delu gde smo pričali o oštećenju baterija govorili i o “…Punjenje litijumske-jonske baterije pri niskim temperaturama ili velikim brzinama punjenja može ometati sposobnost sloja grafitne anode da prihvati litijumove jone i dovodi do taloženja / oblaganja litijuma na površini anode. Ovo smanjuje kapacitet ćelije i pogoduje rastu tankih mikro struktura koje mogu probiti separator…”  Ove mikrostrukture se zovu dendriti i izuzetno su opasne po zdravlje i dugovečnost baterije.

SSB su se uhvatile u koštac sa problemom oko elektrolita tako što su elektrolit – izbacili napolje. Uslovno rečeno naravno, jer se ovde radi o novoj vrsti sloja, konkretno QuantumScape je umesto toga iskoristio fleksibilni keramički separator.

Kako keramika može da bude fleksibilna a još i da provodi struju – to bi dame i gospodo bilo pitanje od nekoliko stotina miliona dolara uloženo u istraživanje i razvoj, kao i skoro deset godina lupanja glave o zid. S obzirom na činjenicu da umesto tečnosti, imamo ovu posebnu keramiku, gubimo opasnost da ta tačnost ispari. S druge strane, savršeno glatka površina ne dozvoljava stvaranje dendrita.

Vidimo da ovo rešenje daje odgovor na dosta pitanja, problema s kojima se suočavaju litijum-jonske baterije. Pomenuta gustina energije kod ovakvih baterija je do 2,5 puta veća od uporedive litijum-jonske jedinice. Složićete se da su ovo izuzetno velike prednosti. Dok naučnici predviđaju da aktuelna iteracija baterija doživi svoj maksimum na nekih 230-250 Wh/kg, SSB bi trebalo tek da “krenu” od 350 Wh/kg.

Ono što je još zanimljivo je da ovde anodu skoro i da nemamo. Dozvolite da objasnim. Umesto klasične anode koju predstavlja izvesna količina materijala u bateriji (par grama nečega sa debljinom od milimetra ili dela milimetra u bateriji vašeg telefona, na primer), ovde imamo jedan izuzetno tanak sloj metala (NiMgCoO2 konkretno, a katoda je od čistog litijuma kod QuantumScapea), u debljini od nekoliko mikrona po površini baterije QuantumScapea  dimenzija 85 x 70 mm.

Najlakše je anodu ovde zamisliti kao deo koji ima strukturu sličnu harmonici koja kad je baterija puna raste i širi se, a kako se baterija prazni polako se skuplja na originalnu dimenziju. Ova pojava širenja i skupljanja baterija nije ništa novo, Samsung je sa Note 7 naučio koliko ovo može biti bitno na teži način. Ova igra sa anodom znatno komplikuje celu priču za objašnjavanje ali u isto vreme je upravo onaj deo priče koji pravi veliku razliku.

Ogroman napredak se takođe ogleda i u vremenu punjenja. U svetu baterija postoji oznaka “C”. Njome označavamo sposobnost baterije da se napuni do svog nominalnog kapaciteta za jedan sat. Istu oznaku koristimo kada govorimo o pražnjenju baterije u periodu od sat vremena, uzgred budi rečeno.

Ako joj treba dva sata da se napuni onda je parametar 0,5C. Ako je to pet sati onda je 0,2C. Ali, šta ako je u pitanju baterija koja se puni za pola sata? Oznaka je onda 2C. U dokumentaciji koju je dostavio QuantumScape, vidimo da su oni njihove baterije punili čak i vrednostima 4C, to jest za 15 minuta. Takođe na njihovom grafikonu se vidi i da su pokušali i 25C, što bi u prevodu bilo malo više od 2 minuta! Velika promena u načinu upotebe baterija definitivno.

SSB se mogu pohvaliti i izuzetnom otpornošću na ekstremne temperature, kako u sibirskim uslovima tako i u tropskim. Ovo bi trebalo da doprinese znatno bezbednijim scenarijima ako se EV nađe u udesu kao i mnogo manje elemenata u samoj konstrukciji vozila koji su trenutno neophodni za očuvanje idealne temperature baterija.

Verovatno ste primetili da najviše pominjem QuantumScape kad su SSB u pitanju. A i ogroman deo podataka koje sam izneo direktno su vezani za njih. Odličan razlog za to se ogleda u činjenici da je pred kraj 2020. QuantumSpace izašao sa svojom baterijom u javnost, i dosta je približio ljudima i zaljubljenicima u tehniku.

Različite firme se trenutno bave ovom tematikom pa tako vidimo i različita rešenja i prilaze problemu. Tako na primer, Samsungov Institut za napredna istraživanja eksperimentiše sa anodama od srebro-ugljenika koji bi umanjio oštećenje na anodi prilikom punjenja i na taj način umanjio oštećenja elektrolita koji bi ostao u tečnom stanju.

Solid Power je isto tako jak igrač na polju SSB i oni koriste isti pristup kao QS a oni se recimo za početak 2022. najavili probnu proizvodnju baterijskih ćelija za vozila. BMW i Ford su veoma bitni saradnici Solar Powera, a tu su još i imena Hyundai, Samsung, Volta Energy… Oni rade sa malim “pouch” verzijama baterija od 2A koje posle spajaju u veće komade od 20A. I kao što rekosmo, oni misle da su blizu industrijske proizvodnje.

Za razliku od Toyote od koje možemo da vidimo samo najave. Iako je Toyota sa SSB započela istraživanja još tamo negde 2013. godine, sem lepih najava i reči, ništa konkretno nismo videli niti smo čuli od njih. Ma šta god ljudi koji voze Lexus pokušali da vas uvere, Toyota je trebalo da na Olimpijadi 2020. tek predstavi prvi prototip.

Zbog poznatih razloga sve je pomereno za 2021. Nakon toga bi se ušlo u proces dodatnog ispitivanja i istraživanja pa bismo poneki prvi model valjda trebali da očekujemo oko 2025. godine. To se poklapa i sa onim što ljudi iz  firme QuantumScape tvrde. SSB nećemo još neko vreme videti na putevima. Za to vreme, 2025. Tesla će godišnje proizvoditi nekih 1 TWh (Tera-vat-čas, tera je 1 000 000 000 000) baterija.

Ovako smo se polako približili i problemima koji prate SSB. Možda i najveći trenutno je sama proizvodnja, za koju možemo reći da je prava manufaktura. Naime, trenutno se sve SSB prave u inkubatorima nalik onima za prerano rođene bebe i jednu bateriju pravi jedan tehničar.

Najveći izazov je dostignuti atmosferu koja je bez vlage jer je ona izuzetno štetna za sam rad ove baterije. Možete zamisliti koja je patnja izvesti ovo na proizvodnoj liniji? Ovde vidim prednost Toyote, jer ako neko zna sa proizvodnom linijom i masovnom proizvodnjom, trebalo bi da su to baš oni…

Dalje, ono što nam kvari sreću je nenormalno visoka cena ovih baterija, ali kako vreme bude prolazilo a proizvodnja se bude usavršavala cifra će sigurno ići na dole. Ono gde je QS ispred Toyote, trenutno je životni vek baterije. U jednom intervjuu koji je dao Kaiđi Kajita (Kaiji Kaita) potpredsednik Toyote zadužen za pogonske sisteme, mogli smo pročitati da je njihov najveći problem, sem same proizvodnje, trenutno skraćeni životni ciklus.

QS je trenutno uspešno uradio cikluse punjenja i pražnjenja nekih 800 puta gde su baterije zadržale bar 80 posto svog kapaciteta. Ovih 800 punjenja se trenutno “prevodi” kao nekih 400 hiljada voženih kilometara. Solar Power je tek na nekih 250 punjenja. Inače, granica koja se uzima da je baterija EV trajno oštećena je trenutno na nekih 75%. Tako da SSB imaju još par godina da budu još bolje po pitanju životnog veka.

Nadam se da smo obradili bar veći deo pitanja koja su se pojavila vezana za SSB. Ako bude još nekih pitanja, pokušaćemo da odgovorimo i na njih.

Srdačan pozdrav.

Dejan Stanković

(629)