Hype a naděje na polovodičové baterie (SSB) stále rostou, protože průmyslová odvětví od automobilového průmyslu po úložiště sází na technologii. Přední výrobci baterií a seznam start-upů se snaží dostat z laboratoře do továrny. Skutečnost SSB je však sporná. Jak uvádí Marija Maisch, příležitost pro desítky let starou technologii udělat další velký krok směrem ke komercializaci se zdá nyní.
Polovodičové baterie
Je to okamžik pravdy a naděje pro desítky společností pracujících na SSB, protože jejich technologie se vynořuje z uzavřených laboratoří a dostává se do továrny. Po mobilizaci velkých investic nyní výrobci SSB potřebují prokázat, že vyřešili nejen problémy spojené s používáním pevných elektrolytů, ale také úspěch v komerčním měřítku. Pokud se to prokáže, SSB mají schopnost splnit naději dvojitého příslibu lepšího výkonu a bezpečnosti ve srovnání s jejich všudypřítomnými, kapalinou naplněnými bratranci. „Pokud jde o komerční životaschopnost SSB, musíme samozřejmě rozlišovat mezi technologickými třídami – SSB na bázi polymerního elektrolytu jsou již na trhu. Ale ty na bázi oxidových a sulfidových elektrolytů jsou většinou ve fázi prototypu.“
Schmaltz a jeho kolegové vyvinuli nadějný plán, ve kterém se zkoumaly tři nejslibnější varianty pevných elektrolytů a porovnány s očekávaným vývojem lithium-iontových baterií s tekutým elektrolytem (LIB). Jejich výsledky ukázaly, že SSB musí prokázat významné zlepšení výkonu ve srovnání s nejmodernějšími LIB, aby získaly jakýkoli relevantní podíl na trhu. A co víc, musí to udělat rychle.
Klíčové ukazatele výkonu
„Vždy existuje určitá naděje a příležitost a vždy existuje neochota přejít na nové technologie. Všechny KPI pro LIB se neustále zlepšují a brzy může být obtížné zvýšit KPI (klíčové ukazatele výkonu) SSB, jako je energetická hustota a bezpečnost, dostatečně významně, aby ospravedlnily vyšší náklady,“ říká Schmaltz. Odhaduje, že SSB musí prokázat svou životaschopnost během příštích pěti let, aby měly šanci rychle proniknout na trh.
Pokud jde o očekávaný vývoj na trhu, očekává se, že výroba SSB – v současnosti celosvětově pod 2 GWh a je založena na polymerovém SSB – výrazně vzroste v letech 2025 až 2030, kdy SSB na bázi oxidů a sulfidových elektrolytů začnou sjíždět z výrobních linek ve větším množství. Podle cestovní mapy Fraunhofer ISI se výrobní kapacita odhaduje na 15 až 55 GWh v roce 2030 a mezi 40 až 120 GWh v roce 2035 – stále pod 2 % očekávaného trhu LIB.
Nával aktivity
Zjištění odrážejí oznámení společnosti CATL, největšího světového výrobce baterií pro elektrická vozidla (EV). Začátkem tohoto roku uvedla, že SSB nebudou sériově vyráběny pro maloobchodní elektromobily nejdříve v roce 2030, poté, co se poprvé objevily z jejích laboratoří do roku 2025. V jeho stopách připravují své SSB výrobci baterií Samsung SDI, SKI a LG pro uvedení na trh v roce 2027, 2029 a po roce 2030. Mezitím společný podnik Panasonicu a japonského automobilového gigantu Toyota již představil prototyp vozu vybavený SSB.
Toyota, přestože nedokázala zúročit svůj raný úspěch v oblasti hybridních EV, nyní zaujímá nadějné vedoucí postavení mezi výrobci automobilů s více než 1 000 patenty SSB. Do konce dekády napumpuje do elektromobilů více než 35 miliard dolarů. Z čehož přibližně polovina jde na výzkum a vývoj baterií. Na začátku tohoto roku však automobilka dala jasně najevo, že první Toyota s SSB se stane hybridem. Ten bude sloužit jako testbed. „Pevné baterie ještě nejsou tak levné a plnohodnotná baterie v BEV může způsobit přemrštěnou cenu auta,“ říká hlavní vědec Toyoty Gill Prat.
Japonští rivalové Nissan a Honda mezitím odhalili plány na vybudování vlastních výrobních linek SSB. Západní výrobci automobilů, včetně Volkswagenu, Mercedes-Benz, Stellantis, BMW a Ford, také zkoumají SSB prostřednictvím partnerství se start-upy.
Technologické výzvy
Dnes existují tři konkurenční způsoby výroby elektrolytu v pevné fázi a každý má svůj vlastní soubor technologických překážek. „V prostoru elektrických vozidel se nachází pevné elektrolyty na bázi sulfidů obzvláště slibné, protože někteří hlavní vývojáři, mimo jiné CATL, BYD, Samsung SDI a Toyota, se zaměřují na tuto technologickou třídu,“ říká Max Reid, výzkumný analytik Wood Mackenzie. „Obsahuje velké množství materiálů a má relativně vysokou lithium-iontovou vodivost ve srovnání s jinými pevnými elektrolyty. Což ukazuje na lepší výkon pro více cyklů. Přesto je materiál na vzduchu nestabilní a uvolňuje plyn H2S, který je jedovatý a hořlavý.“
Druhý přístup, elektrolyt na bázi oxidu, je chemicky nejstabilnější verzí. Ale jeho výrobní proces, zejména vysokoteplotní slinovací postupy, činí sériovou výrobu snadnou záležitostí.
„Jejich oddělovací vrstva se jeví křehká a nelze ji srolovat, takže to znamená, že buňku musíte skládat jako balíček karet. Dnes neexistuje žádný zavedený proces. Takže se teprve uvidí, jestli to lze provést nákladově efektivním způsobem,“ říká Jon Jacobs. Marketingový ředitel společnosti Solid Power, start-up se sídlem v Coloradu. Ten se specializuje na sulfidové SSB podporované BMW a Fordem. Solid Power tvrdí, že používá stejné procesy a zařízení jako v současné nejmodernější výrobě LIB.
Jednodušší na výrobu
Konečně jsou tu pevné elektrolyty na bázi polymerů, které jsou mnohem jednodušší na výrobu ve srovnání s ostatními dvěma třídami. „Pro polymery se již zavedl a komerčně využil proces vytlačování bez použití rozpouštědla,“ říká Schmaltz z Fraunhofer ISI. ,,Pokud by to bylo zvětšeno, mohla by to být ještě levnější výrobní technika než zavedené techniky pro LIB.“
SSB s elektrodami na bázi polymeru však mají běžnou iontovou vodivost pouze 10-7S/cm při pokojové teplotě, tedy pod úrovní současných kapalných elektrolytů. Mají také velmi špatnou oxidační stabilitu s vysokonapěťovými katodami (kompatibilní pouze s LiFePO4/LFP). Což znamená, že energetická hustota baterií na bázi polymerů se zdá značně podkopána.
Cena
To, co dnes slyšíme od mnoha vývojářů zapojených do prostoru SSB, je, že mají pro tyto výzvy zavedené opravy. A nyní mnozí čelí dalšímu velkému problému: vysokým nákladům. „Náklady na polovodičové baterie mohou být výrazně vyšší než současné LIB. Zatímco vyšší hustota energie ušetří náklady na moduly a balení, nahrazení grafitových anod tenkou lithiovou kovovou fólií a nahrazení kapalných elektrolytů pevnými látkami obsahujícími prvky jako germanium a lanthan by představovalo zvýšení nákladů,“ říká Reid z WoodMac.
Konkrétně při pohledu na dodavatelský řetězec SSB není vidět mnoho výhod. „Materiál lithiové kovové anody je jasnou překážkou. To by mohlo vést k tomu, že výrobci článků zvolili hojnější anodový materiál – křemík. Ten slibuje vysoké výkony, ale ne tak vysoký jako lithium. V opačném případě, SSB používají v podstatě stejné množství katodových materiálů jako současné LIB, v závislosti na napětí článku. To znamená, že SSB mají čelit stejným výzvám, které se jeví dnes patrné v prostoru baterií.“
Náklady nemají záviset pouze na surovinách, ale také na investicích do výrobních procesů a nástrojů. Do určité míry by bylo možné využít zařízení ve stávajících Li-ion továrnách k výrobě SSB. Jmenovitě, zatímco struktura katody může být stejná jako u současných LIB a stejné zařízení lze použít při výrobě SSB, anoda bude pravděpodobně zcela odlišná.
Technika k výrobě baterie
,,Buď budou lithiové kovové fólie delaminovány do struktury článku, nebo bude použita patentovaná technika k vybudování křemíkové anody pomocí relativně nových technik,“ říká Reid. „Poté s elektrolytem mají vstřikované kapaliny nahradit technikami výroby pevných elektrolytů. Jednalo by se o monumentální změnu současného výrobního procesu. A vzhledem k tomu, že každá gigatovárna stojí přibližně 3 miliardy dolarů. A mělo se jevit poměrně nákladné dovybavit tato zařízení na výrobu pouze SSB.“
Konkrétně jsou náklady na výrobu elektrolytů na bázi oxidů a sulfidů vyšší. Takže zpočátku se zdá méně pravděpodobné, že se mají použít v odvětvích, která se zdají citlivější na náklady než automobilová odvětví. Jako např. průmysl stacionárních skladování. Zde jsou požadavky na výkon v malém prostoru/hmotnosti menší, takže dnes jsou polymerní elektrolyty nejoblíbenější volbou ve stacionárních skladovacích aplikacích. SSB na bázi polymerů se již nasadily v terénu, například v projektech minisítí. Ta provedla francouzská společnost Blue Solutions, první výrobce SSB, který dosáhl hromadné výroby v řádu stovek MWh.
Nadějný potenciál dalších dvou tříd elektrolytů ve stacionárním skladování se musí ještě plně prokázat. Přesto existuje pohyb. Začátkem tohoto roku uzavřela německá a americká těžká váha Fluence víceletou dohodu s americkým bateriovým start-upem QuantumScape. A to o zavedení technologie SSB na bázi oxidu ve stacionárních aplikacích pro ukládání dat.
„Spolupracujeme na validaci a testování SSB buněk QuantumScape pro použití v proprietárních stacionárních skladovacích produktech Fluence. Náš tým se zdá obzvláště nadšený z potenciálu oxidových SSB pro vytvoření lithiových kovových anod s odpovídajícími náklady a zlepšením hustoty, kterých by se dosáhlo,“ říká Brett Galura, SVP, Fluence Next a CTO. ,,Tyto funkce mohou pomoci zmenšit nároky na instalaci o jednu třetinu a nabídnout bezpečnostní charakteristiky. Ty vyžadují méně komponent na úrovni systému, čímž se zjednoduší přístupy k celkové bezpečnosti systému.“
Doklad o výkonu
Větší výkon a větší bezpečnost se často uvádějí jako hlavní přednosti technologie SSB s vyšší hustotou energie a rychlejšími časy nabíjení ve srovnání s LIB. Ty se běžně prohlašují. Prokázané výsledky se však dosahují hůře. „Hráči na trhu tvrdí, že jejich SSB mají vynikající výkon, ale zdá se velmi těžké posoudit skutečná čísla, pokud se vůbec uvádějí. Pouze hodnoty testované třetí stranou mohly umožnit nezávislé vyhodnocení skutečného výkonu článků,“ říká Schmaltz.
Tchajwanský start-up SSB Prologium, který začátkem tohoto roku uzavřel dohodu o technologické spolupráci s Mercedes-Benz, říká, že jeho prototypy jsou již v testování: „K dnešnímu dni ProLogium dodalo více než 7 300 EV článků s kapacitou 50 – 60 Ah do celého světa. I automobilovým partnerům k ověření a zákazníkům se dodalo více než jeden milion článků pro spotřebitelské aplikace,“ říká Lisa Hsu, zástupkyně ředitele marketingové divize Prologium.
Výrobce článků uznává, že čelí výzvám při globálním navyšování výrobní kapacity tempem, aby uspokojil poptávku zákazníků. „Prologium je jediným výrobcem lithiových keramických baterií v pevné fázi, který je schopen vyrábět ve velkém a poskytovat stabilní dodávky pro globální průmysl EV,“ říká. V plánu je spuštění prvního výrobního závodu společnosti na 3 GWh začátkem roku 2023.
Naděje začátku
Začátkem tohoto roku vznikla společně s tchajwanským výrobcem skútrů Gogoro naděje. Ten má rozsáhlou síť infrastruktury pro výměnu baterií, odhalena baterie s keramickým separátorem a kapacitou 2,5 kWh. Pokud jde o technologické výhody, Prologium má dlouhý seznam zahrnující téměř o 80 % vyšší hustotu energie. A o více než 60 % rychlejší nabíjení a nižší cenu, spolu s recyklací 90 % elektrolytu v pevné fázi.
Další specialisté v oboru také dychtivě zdůrazňují nadějné výhody SSB oproti LIB, zejména pro automobilový sektor. „Venku je spousta kouře a zrcadel, ale nejdůležitější je vždy cena,“ říká Jacobs ze společnosti Solid Power. „První výhodou je vyšší hustota energie. Ta umožňuje zabalit o 30 až 40 % více energie do článku SSB než do dnešních nejlepších článků LIB na bázi kapaliny. A dává automobilce na výběr, zda zvýšit dojezd nebo snížit počet baterií. Ty potřebují uvnitř a tím ušetří peníze.“ Vzorek EV článku společnosti B má být 390 Wh/kg a 930 Wh/L.
Výhody baterie
Další výhodou je, že výrobci automobilů by se mohli těšit z dalších úspor odstraněním systému chlazení baterie. „Když se dnešní tekuté LIB zahřejí, i když auto stojí na slunci, články se degradují. SSB jsou rádi žhaví,“ říká Jacobs. Ale ačkoliv je Solid Power pravděpodobně nejslibnějším start-upem pracujícím na sulfidových elektrolytech, má před sebou ještě dlouhou cestu k zahájení výroby ve velkém. V současnosti vyrábí pouhých 150 kg elektrolytu za měsíc; ale zvětšuje se.
„Naše nadcházející druhé zařízení se může rozšířit na výrobu až 10 tun za měsíc. Což je dostačující k výrobě tisíců EV článků ročně. Což je to, co výrobci automobilů potřebují k ověřovacímu testování, ale to není dost článků na dodávku automobilového programu.“ říká Jacobs. ,,Pro představu, 10 GWh by mohlo zásobovat 100 000 až 200 000 vozidel. Takže v současnosti se naše kapacita výroby článků a energie nachází ve stovkách MWh.“
SSBs pick-and-mix
Katoda: stejná jako u nejmodernějšího LIB. Včetně oxidů na bázi přechodných kovů (NMC, NCA) a fosforečnanu lithného a železnatého (LFP), s již zavedeným dodavatelským řetězcem a zpracovatelskými cestami.
Anoda: zatímco se prokázalo, že grafit funguje v několika koncepcích článků s pevným elektrolytem, lithiový kov a křemík se zdají aktivními materiály pro anodu. Lithium se považuje za nejslibnější, protože umožňuje nejvyšší možnou hustotu energie na straně anody.
Typ pevného elektrolytu: Oxid, sulfid a polymer jsou dnes tři převládající třídy, i když jsou možné i smíšené přístupy.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
