Poza litowo-jonowymi: sód-jonowe vs. stałoskładnikowe vs. litowo-siarkowe – kto wygra wyścig na baterie przyszłości?

Baterie sodowo-jonowe vs litowo-jonowe w pełni stałe vs litowo-siarkowe

Baterie litowo-jonowe zasilały nasze urządzenia i samochody elektryczne przez dekady, ale mają swoje wady – od ryzyka bezpieczeństwa po drogie, rzadkie materiały oraz koszty środowiskowe związane z wydobyciem i recyklingiem. To wywołało globalne poszukiwania lepszych technologii akumulatorowych. Trzech głównych pretendentów to baterie sodowo-jonowe, baterie litowo-jonowe w pełni stałe oraz baterie litowo-siarkowe. Każda z nich obiecuje unikalne zalety – czy to niska cena i dostępność sodu, wysoka energia i bezpieczeństwo technologii stałej, czy ultrawysoka pojemność litowo-siarkowych. Jednocześnie każda z nich stoi przed własnymi wyzwaniami, zanim będzie mogła zdetronizować dzisiejsze ogniwa Li-ion. Poniżej zagłębiamy się w szczegółowe porównanie we wszystkich ważnych aspektach – gęstość energii, bezpieczeństwo, koszt, żywotność, wpływ na środowisko, skalowalność i wyzwania produkcyjne – poparte najnowszymi osiągnięciami i opiniami ekspertów.

Gęstość energii: Ile energii mogą magazynować?

Gęstość energii decyduje o tym, jak daleko może przejechać pojazd elektryczny lub jak długo urządzenie działa na jednym ładowaniu. Oto jak wypadają te trzy technologie:

• Baterie sodowo-jonowe: Obecne ogniwa sodowo-jonowe mają niższą gęstość energii niż litowo-jonowe. Zazwyczaj dostarczają około 140–160 Wh/kg, podczas gdy standardowe ogniwa litowo-jonowe osiągają ~150–220 Wh/kg linkedin.com. Najlepsze prototypy sodowo-jonowe (np. nowa bateria „Naxtra” firmy CATL) osiągają około 175 Wh/kg – porównywalnie do dzisiejszych baterii LFP (litowo-żelazowo-fosforanowych) catl.com. Ta niższa zawartość energii oznacza, że samochód elektryczny zasilany sodem miałby krótszy zasięg niż podobny samochód litowo-jonowy. Naukowcy pracują nad poprawą tego parametru; w rzeczywistości CATL już opracowuje drugą generację ogniw sodowo-jonowych, która ma przekroczyć 200 Wh/kg carnewschina.com. Mimo to, sodowo-jonowe prawdopodobnie pozostaną najniższe pod względem energii na jednostkę masy spośród tych trzech.
• Akumulatory litowe całkowicie stałe: Konstrukcje w pełni stałe mają na celu przewyższyć gęstość energii konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych poprzez zastosowanie metalicznej anody litowej i gęstych elektrolitów stałych. Eksperci szacują, że akumulatory całkowicie stałe mogą zgromadzić o 50% do 100% więcej energii niż dzisiejsze ogniwa litowo-jonowe geekwire.com. Noblista i pionier technologii akumulatorów Stanley Whittingham zauważył, że technologia litowo-metalowa w wersji całkowicie stałej może zwiększyć gęstość energii o „50%, jeśli nie 100%”, nazywając ją potencjalnie „przełomem dla pojazdów elektrycznych” geekwire.com. Producenci samochodów są optymistyczni: Toyota, na przykład, twierdzi, że jej pierwszy akumulator EV w technologii całkowicie stałej (planowany na lata 2027-28) początkowo zwiększy zasięg jazdy o 20%, a kolejne generacje mają zapewnić o 50% większy zasięg niż nawet najlepsze nadchodzące akumulatory litowo-jonowe toyota-europe.com. W praktyce może to oznaczać, że samochody elektryczne będą przejeżdżać 600–1000+ mil na jednym ładowaniu – co jest nieosiągalne przy obecnych akumulatorach topspeed.com toyota-europe.com. Technologia całkowicie stała obiecuje więc najwyższą gęstość energii w dłuższej perspektywie (poza teoretycznym limitem akumulatorów litowo-siarkowych), jeśli uda się pokonać przeszkody rozwojowe.
• Baterie litowo-siarkowe: Chemia litowo-siarkowa (Li-S) ma najwyższą teoretyczną gęstość energii ze wszystkich. Siarka może wiązać wiele jonów litu, co daje jej nawet 5–9 razy większą pojemność niż materiały litowo-jonowe linkedin.com teslarati.com. Teoretycznie baterie Li-S mogłyby osiągnąć 600–800 Wh/kg lub więcej, znacznie przewyższając inne technologie. W praktyce nie osiągnięto jeszcze takich wartości w komercyjnych ogniwach, ale postęp jest stały. Naukowcy z Fraunhofera zaprezentowali półstały prototyp Li-S o prognozowanej wartości około 700 Wh/kg batterypoweronline.com, a startupy takie jak Lyten już wykazały ~300–350 Wh/kg w najnowszych testowych ogniwach Li-S batterypoweronline.com batterypoweronline.com. Taka gęstość energii mogłaby podwoić zasięg samochodu elektrycznego przy tej samej masie baterii batterypoweronline.com. Nic dziwnego, że eksperci nazywają Li-S potencjalnym „świętym Graalem magazynowania energii” – jeśli uda się rozwiązać jej problemy techniczne batterypoweronline.com.

Podsumowanie: Litowo-siarkowe oferują na papierze niezrównaną pojemność energii, a baterie ze stałym elektrolitem również obiecują duży skok gęstości energii. Zawartość energii w sodowo-jonowych, choć się poprawia, pozostanie bardziej umiarkowana. Sugeruje to, że sodowo-jonowe najlepiej sprawdzą się tam, gdzie zasięg nie jest kluczowy (np. krótkodystansowe EV lub magazynowanie energii w sieci), podczas gdy technologie ze stałym elektrolitem i Li-S celują w wysokie zapotrzebowanie na energię przyszłych dalekodystansowych pojazdów elektrycznych i samolotów batterypoweronline.com.

Bezpieczeństwo: Która bateria jest najbezpieczniejsza?

Bezpieczeństwo baterii jest najważniejsze – wszyscy widzieliśmy nagłówki o pożarach akumulatorów litowo-jonowych. Nowe technologie podchodzą do kwestii bezpieczeństwa na różne sposoby:

• Sodowo-jonowe: Akumulatory sodowo-jonowe są ogólnie uważane za bezpieczniejsze niż standardowe litowo-jonowe. Po pierwsze, można je całkowicie rozładować do 0 woltów bez uszkodzenia, co czyni je bezpieczniejszymi w transporcie i przechowywaniu linkedin.com. Nie wykorzystują też metalu litowego, co oznacza mniejsze ryzyko niekontrolowanego przegrzania, które spowodowało incydenty takie jak pożary Galaxy Note 7 geekwire.com. Ostatni raport branżowy wymienia poprawę bezpieczeństwa jako kluczową zaletę sodowo-jonowych carnewschina.com. Chociaż ogniwa sodowe nadal wykorzystują łatwopalne ciekłe elektrolity, ich niższa gęstość energii i chemia powodują mniejszą emisję ciepła w przypadku awarii. Krótko mówiąc, są bardziej wyrozumiałe i z natury bezpieczniejsze podczas użytkowania linkedin.com.
• Wszystko-stanowe: Baterie w stanie stałym są często przedstawiane jako najbezpieczniejsza opcja. Zastępując lotny ciekły elektrolit stabilnym elektrolitem stałym, praktycznie eliminują ryzyko wycieku lub pożaru – ogniwa są niepalne w normalnych warunkach linkedin.com. Stały elektrolit również tłumi dendryty litu (małe metalowe włókna, które mogą powodować zwarcia), dodatkowo zmniejszając ryzyko pożaru linkedin.com. „Baterie w stanie stałym… skutecznie zmniejszają ryzyko powstawania dendrytów litu,” zauważa profesor Shirley Meng z Pritzker School of Molecular Engineering linkedin.com. W testach, ogniwa w stanie stałym firmy QuantumScape nie wykazały niebezpiecznych zdarzeń termicznych nawet przy dużym obciążeniu geekwire.com. Ogólnie rzecz biorąc, konstrukcje w stanie stałym oferują skok do „wewnętrznego bezpieczeństwa”, jak to opisuje CATL catl.com. Głównym zastrzeżeniem jest to, że to bezpieczeństwo pojawia się, gdy technologia dojrzeje – obecne prototypy są małoskalowe; bezpieczne ich skalowanie jest częścią trwającego wyzwania.
• Litowo-siarkowe: Pod względem bezpieczeństwa, baterie litowo-siarkowe to trochę mieszanka. Z jednej strony, katody Li-S wykorzystują siarkę, nieszkodliwy i nietoksyczny pierwiastek (w przeciwieństwie do kobaltu czy niklu). I w przeciwieństwie do katod tlenkowo-metalowych, siarka nie uwalnia tlenu w wysokich temperaturach, co może sprawić, że pożary będą mniej prawdopodobne. Jednak baterie Li-S często wykorzystują anodę z metalu litowego i ciekły elektrolit – kombinację znaną z podatności na pożary w przypadku niewłaściwego obchodzenia się (metaliczny lit jest wysoce reaktywny). W istocie, ogniwo Li-S może nieść podobne lub nawet większe ryzyko pożaru niż litowo-jonowe, dopóki jego konstrukcja nie zostanie ulepszona. Dobrą wiadomością jest to, że niektórzy producenci Li-S aktywnie poprawiają bezpieczeństwo. Na przykład Lyten stosuje specjalną „3D” kompozytową anodę litową, która znacząco podnosi temperaturę zapłonu ucieczki termicznej (z ~125 °C do 236 °C w ich testach) batterypoweronline.com. Takie innowacje wskazują, że baterie Li-S mogą być znacznie bezpieczniejsze niż wczesne prototypy. Jednak dopóki w Li-S nie zostaną wdrożone elektrolity stałe lub inne zabezpieczenia, ich poziom bezpieczeństwa prawdopodobnie będzie porównywalny z konwencjonalnymi litowo-jonowymi – wymagając solidnego zarządzania baterią, aby zapobiec przegrzaniu.

Sedno: Akumulatory ze stałym elektrolitem prowadzą pod względem bezpieczeństwa dzięki swojej konstrukcji – brak cieczy oznacza znacznie mniejsze ryzyko pożaru. Ogniwa sodowo-jonowe również wypadają bardzo dobrze pod względem bezpieczeństwa dzięki stabilnemu zachowaniu i możliwości pozostawania na zerowym poziomie naładowania bez incydentów linkedin.com. Bezpieczeństwo akumulatorów litowo-siarkowych poprawi się wraz z nowymi projektami, ale obecnie muszą być zarządzane podobnie jak obecne akumulatory litowe. W każdym przypadku wszyscy trzej kandydaci mają na celu dostarczenie bezpieczniejszych alternatyw dla dzisiejszych pakietów Li-ion, co jest mile widzianą ulgą zarówno dla konsumentów, jak i producentów.

Koszt: Który jest najtańszy w produkcji?

Koszt to kluczowy czynnik dla każdej nowej baterii – materiały i produkcja muszą przewyższać (lub przynajmniej dorównywać) ekonomii litowo-jonowej, aby możliwa była szeroka adopcja. Oto jak prezentują się koszty:

• Sodowo-jonowe: Główną zaletą technologii sodowo-jonowej jest niski koszt. Sód jest jednym z najobficiej występujących pierwiastków na Ziemi – około 1000 razy bardziej powszechny niż lit w skorupie ziemskiej – i jest tani. „Sód jest bardziej zrównoważonym materiałem do baterii niż lit,” mówi James Quinn, CEO Faradion, zauważając, że jest szeroko dostępny i „wydobycie 1 tony sodu wymaga 682 razy mniej wody niż litu” linkedin.com. Co więcej, akumulatory sodowo-jonowe mogą wykorzystywać tańsze komponenty: na przykład aluminiowe kolektory prądu zamiast miedzianych (oszczędność pieniędzy) oraz katody bez drogich metali, takich jak kobalt. Szacuje się, że obecne koszty pierwszej generacji ogniw sodowych wynoszą około 77 USD za kWh, co już jest poniżej typowych kosztów litowo-jonowych carnewschina.com. Przy masowej produkcji CATL spodziewa się spadku kosztów do około 40 USD/kWh – połowy kosztu najtańszych obecnie baterii LFP carnewschina.com. Produkcja może również wykorzystywać istniejące linie fabryczne Li-ion przy minimalnych zmianach linkedin.com, co obniża wydatki inwestycyjne. Wszystko to oznacza, że sodowo-jonowe mogą stać się ultra-tanią opcją, szczególnie dla magazynowania stacjonarnego i budżetowych pojazdów elektrycznych, gdzie niski koszt za kWh jest ważniejszy niż maksymalna wydajność.
• Całkowicie stałe: Akumulatory w pełni stałe są obecnie najdroższe w opracowaniu. Wykorzystują zaawansowane materiały (np. ceramiczne lub siarczkowe elektrolity, anodę z folii litu) i często wymagają nowych procesów produkcyjnych (takich jak osadzanie próżniowe czy spiekanie pod wysokim ciśnieniem), które jeszcze nie skorzystały z efektu skali. Obecnie produkcja ogniw stałostanowych kosztuje znacznie więcej za kWh niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów – to jeden z powodów, dla których nie widzimy ich jeszcze w produktach. „Koszt produkcji jest wciąż wyższy niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych,” ostrzega profesor Shirley Meng linkedin.com. Jednak oczekuje się, że koszty spadną wraz z udoskonalaniem produkcji przez firmy. Dzięki wyeliminowaniu anody grafitowej i zastosowaniu mniej masywnego opakowania zabezpieczającego, konstrukcje stałostanowe mogą ostatecznie obniżyć koszt materiałów na ogniwo. Na przykład CEO QuantumScape, Jagdeep Singh, przewiduje, że ich konstrukcja bez anody może uprościć produkcję i obniżyć koszty po osiągnięciu skali (ponieważ w praktyce drukuje się cienki stały elektrolit i dodaje lit, zamiast montować wiele warstw materiałów) geekwire.com geekwire.com. Toyota również prognozuje 20% redukcję kosztów dla swoich pierwszych pakietów stałostanowych w porównaniu z dzisiejszą technologią toyota-europe.com toyota-europe.com – choć prawdopodobnie zakłada to produkcję na dużą skalę i przełomy technologiczne. Krótko mówiąc, technologia stałostanowa jest kosztowna w krótkim okresie, ale masowa produkcja (koniec lat 20. XXI w.) może zmniejszyć tę różnicę. Wielu producentów samochodów jest gotowych początkowo zapłacić więcej za korzyści wydajnościowe, oczekując, że koszty spadną wraz ze wzrostem produkcji.
• Litowo-siarkowe: Baterie litowo-siarkowe mają potencjał, by być najtańszymi ze wszystkich pod względem materiałowym. Dlaczego? Siarka jest bardzo tania i powszechnie dostępna – często stanowi odpad poprodukcyjny z rafinacji ropy naftowej. „Siarka to idealny materiał katodowy… jest obfita, rozproszona na całym świecie, łatwa do wydobycia… dla wielu branż to właściwie odpad,” wyjaśnia Rob Murano z firmy Coherent, zajmującej się rozwojem baterii batterypoweronline.com. Porównuje koszt surowca: siarka dodaje tylko około 0,07 USD na kWh, podczas gdy nikiel/mangan/miedź w katodach NMC to 30–40 USD/kWh, a katody LFP 10–15 USD/kWh batterypoweronline.com batterypoweronline.com. Przekłada się to na potencjalne obniżenie kosztów o 50–70% na poziomie całego pakietu. „Kiedy patrzymy na cenę, jaką mogą osiągnąć ogniwa Li-S, spada ona poniżej LFP,” dodaje Celina Mikolajczak, dyrektor ds. technologii baterii w Lyten batterypoweronline.com. W rzeczywistości, jeśli Li-S osiągnie dojrzałość komercyjną, eksperci przewidują, że ich pakiety baterii mogą kosztować od połowy do jednej trzeciej tyle, co dzisiejsze pakiety litowo-jonowe o równoważnej pojemności batterypoweronline.com. Jednak zastrzeżeniem jest to, że obecne prototypy Li-S mają krótką żywotność – jeśli bateria szybko się zużyje, tracisz przewagę kosztową przez konieczność wymiany. Tak więc rzeczywista opłacalność Li-S zależy od rozwiązania problemów z trwałością (więcej o tym poniżej). Pocieszające jest to, że firmy takie jak Lyten planują masową produkcję z pewnymi celami kosztowymi, co sugeruje, że wierzą, iż mogą zapewnić zarówno niską cenę, jak i akceptowalną żywotność. Jeśli tak się stanie, baterie litowo-siarkowe mogą stać się domyślnym wyborem niskokosztowym, zwłaszcza w zastosowaniach na dużą skalę, gdzie koszt materiału jest kluczowy.

Sedno: Sodowo-jonowe już wykazują przewagę kosztową dzięki tanim, powszechnie dostępnym surowcom i kompatybilności z istniejącą produkcją – co czyni je faworytem w wyścigu o ekonomiczne magazynowanie energii linkedin.com carnewschina.com. Litowo-siarkowe mogą ostatecznie być jeszcze tańsze w przeliczeniu na kWh dzięki bardzo niskim kosztom materiałów, ale muszą pokonać przeszkody techniczne, by zrealizować ten potencjał batterypoweronline.com batterypoweronline.com. Stan stały jest obecnie drogi, ale oczekuje się, że stanie się konkurencyjny cenowo wraz ze wzrostem produkcji; pierwsi użytkownicy mogą zapłacić więcej za jego zalety, ale koszty znacznie spadną, gdy produkcja masowa ruszy pod koniec tej dekady toyota-europe.com. Podsumowując, wszystkie trzy technologie dążą do pokonania litowo-jonowych pod względem kosztów w dłuższej perspektywie – co jest kluczowe dla ich powszechnego wdrożenia.

Trwałość i cykl życia: która wytrzyma najdłużej?

Bateria, która magazynuje więcej energii, to świetna sprawa – ale nie, jeśli przestaje działać po kilku cyklach ładowania. Trwałość (liczba cykli) to kolejny kluczowy punkt porównania:

• Sodowe: Baterie sodowo-jonowe mogą zapewnić solidną żywotność cykliczną, choć początkowo pozostawały w tyle za litowo-jonowymi. Wczesne ogniwa sodowe miały krótszą żywotność, ale ostatnie ulepszenia były znaczące. Dzisiejsze baterie sodowo-jonowe mogą wytrzymać około 5 000 cykli ładowania/rozładowania zanim nastąpi znacząca utrata pojemności linkedin.com. To zbliża się do poziomu ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych (LFP), które w niektórych konstrukcjach mogą osiągnąć ~8 000+ cykli linkedin.com. Chińscy naukowcy niedawno osiągnęli nawet 6 000 cykli w baterii sodowej, stosując zaawansowane materiały elektrodowe linkedin.com. Firma CATL twierdzi, że jej najnowsza bateria sodowo-jonowa Naxtra do pojazdów elektrycznych może osiągnąć ponad 10 000 cykli – co jest na równi lub nawet lepsze niż najbardziej trwałe chemie litowo-jonowe catl.com. (Dla porównania, 10 000 cykli w samochodzie elektrycznym może oznaczać ponad milion przejechanych mil.) Jeśli te liczby potwierdzą się w praktyce, żywotność sodowo-jonowych będzie doskonała. Warto zauważyć: baterie sodowo-jonowe mogą mieć nieco szybszy samorozładunek i niższą optymalną szybkość ładowania niż niektóre ogniwa Li-ion carnewschina.com carnewschina.com, ale ogólnie ich żywotność staje się mocną stroną. Przy dalszym rozwoju oczekuje się, że baterie sodowe bez problemu wytrzymają dekadę lub dłużej w magazynowaniu energii na potrzeby sieci oraz przez cały okres eksploatacji typowego samochodu.
• Całkowicie stałe: Baterie w pełni stałe początkowo miały opinię o ograniczonej żywotności cyklicznej z powodu problemów takich jak degradacja interfejsu czy przenikanie dendrytów przez stały elektrolit. Jednak ostatnie przełomy sugerują, że długie okresy eksploatacji są osiągalne. Wczesne testy QuantumScape wykazały, że ich ogniwa można ładować do 80% w 15 minut i nadal wytrzymują setki tysięcy mil w użytkowaniu w pojazdach elektrycznych geekwire.com – co wskazuje na liczbę cykli sięgającą tysięcy. Toyota przyznała, że wcześniej prototypy baterii stałych miały krótszą żywotność, ale firma ogłosiła w 2023 roku, że „osiągnęła postęp technologiczny pozwalający przezwyciężyć ten [krótki czas życia] problem” toyota-europe.com. Obecnie są na tyle pewni, że skupiają się na masowej produkcji do 2027-28 z trwałością odpowiednią dla pojazdów. Inny producent baterii stałych, Solid Power, zgłosił tysiące stabilnych cykli w swoich ogniwach testowych z użyciem elektrolitu siarczkowego. Choć dokładne liczby cykli nie są publicznie potwierdzone, pochwała Stanleya Whittinghama dla danych QuantumScape – „Nie widziałem nigdzie indziej tak dobrych danych” geekwire.com – sugeruje, że trwałość może już nie być przeszkodą. Niemniej jednak, udowodnienie długiej żywotności w dużych ogniwach na skalę motoryzacyjną to kolejny krok. Konsensus w branży jest taki, że dobrze zaprojektowana bateria stała powinna przynajmniej dorównać lub przewyższyć żywotność obecnych ogniw litowo-jonowych, dzięki stabilnemu stałemu elektrolitowi (który nie degraduje się tak szybko jak elektrolity ciekłe z upływem czasu) geekwire.com. Przekonamy się na pewno, gdy prototypy trafią do testów w rzeczywistych warunkach w nadchodzących latach.
• Litowo-siarkowe: Żywotność cyklu była piętą achillesową akumulatorów Li-S. Tradycyjne ogniwa Li-S ledwo wytrzymywały kilkadziesiąt cykli zanim traciły większość swojej pojemności teslarati.com batterypoweronline.com. Winowajcą jest „wahadło polisiarczkowe”: pośrednie związki siarki rozpuszczają się w elektrolicie podczas cykli i powodują poważne szkody, prowadząc do szybkiej degradacji batterypoweronline.com. W rezultacie, „Ogniwa Li-S zwykle nie wytrzymują wielu cykli”, jak stwierdzono w jednym z raportów branżowych batterypoweronline.com. Jednak intensywne badania i rozwój stopniowo wydłużają żywotność Li-S. Do 2021 roku niektórzy naukowcy zwiększyli żywotność Li-S do setek cykli, choć często kosztem innych parametrów teslarati.com. Przeskakując do 2024 roku: Lyten poinformował, że jego najnowsze prototypowe ogniwo Li-S może wykonać 250–300 cykli przy pełnej głębokości rozładowania (100% wahań) i nadal zachować 70% pojemności batterypoweronline.com. Przy łagodniejszym użytkowaniu (np. częściowe cykle o głębokości 20%) zaobserwowano nawet 2 000 cykli z minimalnym spadkiem pojemności batterypoweronline.com. To dramatyczna poprawa, w zasadzie podwojenie żywotności cyklu każdego roku w ostatnich latach. „Za kilka lat, czy możemy osiągnąć 1 000 cykli? Wierzymy, że tak,” powiedziała Celina Mikolajczak z Lyten, wyrażając pewność dalszego postępu batterypoweronline.com batterypoweronline.com. Przełomy naukowe wspierają ten optymizm: zespół z University of Michigan niedawno zastosował membranę z włókna kevlarowego, aby zatrzymać wahadło polisiarczkowe, umożliwiając 1 000-cyklowe ogniwa Li-S w laboratorium <a href=”https://www.teslarati.com/lithium-sulfur-kevlar-fiber-life-cycteslarati.com teslarati.com. Te postępy sugerują, że litowo-siarkowe mogą wkrótce osiągnąć zakres 500–1 000 cykli wymagany do praktycznego zastosowania. Byłoby to wystarczające dla wielu zastosowań (na przykład 1 000 głębokich cykli mogłoby odpowiadać ~300 000 mil w pojeździe elektrycznym). Jednak Li-S będzie musiał udowodnić, że może zbliżyć się do wielotysięcznej żywotności cykli ogniw litowo-jonowych, aby zostać naprawdę powszechnie przyjętym. Jego żywotność kalendarzowa (okres przydatności do użycia przez lata) jest również przedmiotem badań, choć wstępne wyniki wskazują, że po początkowym spadku pojemności w pierwszym miesiącu, ogniwa Li-S mogą utrzymywać ładunek przez miesiące bez większych strat batterypoweronline.com.

Podsumowanie: Baterie sodowo-jonowe i baterie ze stałym elektrolitem wykazują zdolność dorównania lub przewyższenia żywotności dzisiejszych baterii litowo-jonowych – możliwe są tysiące cykli linkedin.com catl.com. Baterie litowo-siarkowe zaczynały z dużym opóźnieniem, ale intensywne innowacje przybliżyły je do praktycznego zastosowania – wykazano setki cykli i realistyczną ścieżkę do osiągnięcia tysiąca cykli w najbliższej przyszłości batterypoweronline.com teslarati.com. Pod względem trwałości wszystkie trzy technologie zmierzają w kierunku baterii, które mogą działać przez cały okres eksploatacji typowego urządzenia lub pojazdu – choć Li-S to wciąż technologia, którą warto obserwować pod kątem dalszych ulepszeń.

Wpływ na środowisko: która jest najbardziej ekologiczna?

Poza wydajnością i kosztem, kluczowe jest pytanie: jaki wpływ mają te baterie na środowisko? Od wydobycia surowców po koniec życia produktu, oto jak się prezentują:

• Sodowo-jonowe: Baterie sodowo-jonowe wypadają bardzo dobrze pod względem czynników środowiskowych. Najbardziej oczywistą zaletą jest to, że sód jest obfity i szeroko dostępny – w przeciwieństwie do litu, nie jest skoncentrowany w kilku krajach ani powiązany z intensywnym wydobyciem w delikatnych ekosystemach. Pozyskiwanie sodu (często z soli lub solanki) wymaga znacznie mniej wody niż pozyskiwanie litu z solnisk. W rzeczywistości produkcja litu może wymagać setek razy więcej wody niż produkcja równoważnej ilości sodu linkedin.com. To drastycznie niższe zużycie wody sprawia, że technologia sodowo-jonowa jest bardziej zrównoważona i przyjazna społecznościom w regionach wydobywczych. Co więcej, ogniwa sodowo-jonowe zazwyczaj wykorzystują bez kobaltu ani niklu, opierając się na materiałach takich jak żelazo, mangan lub analogi błękitu pruskiego do katod. Pozwala to uniknąć dobrze udokumentowanych problemów środowiskowych i etycznych związanych z wydobyciem kobaltu (np. w Kongo). Nawet anoda może być bardziej ekologiczna: sodowo-jonowa wykorzystuje twardy węgiel (często pochodzący z odpadów biomasy) zamiast grafitu i pozwala na stosowanie aluminiowych kolektorów prądu (które są łatwiejsze do recyklingu niż miedziane, a ich produkcja ma inny, często niższy, ślad środowiskowy) linkedin.com. Wreszcie, możliwość modernizacji istniejących fabryk baterii do produkcji sodu linkedin.com oznacza, że nie musimy budować całkowicie nowych łańcuchów dostaw od podstaw – co zmniejsza ślad węglowy związany ze skalowaniem produkcji. Podsumowując, technologia sodowo-jonowa jest często wskazywana jako bardziej przyjazna środowisku alternatywa dla litowo-jonowej linkedin.com, oferując przyzwoitą wydajność bez dużych kosztów środowiskowych związanych z wydobyciem rzadkich metali.
• Litowo-ciała stałego (All-Solid-State Lithium): Akumulatory w stanie stałym mają pewne podobieństwa środowiskowe do obecnych akumulatorów litowo-jonowych, ponieważ nadal wykorzystują lit i często podobne metale katodowe (takie jak nikiel, mangan itp., w zależności od projektu). Oznacza to, że nie eliminują potrzeby wydobycia litu ani stosowania metali o dużej gęstości energetycznej. Istnieją jednak pewne korzyści ekologiczne. Po pierwsze, ponieważ ogniwa w stanie stałym mogą magazynować więcej energii w mniejszej ilości materiału (wyższa gęstość energii), potrzeba mniej surowców na każdą uzyskaną kWh magazynowania. Na przykład, jeśli akumulator w stanie stałym ma o 50% większą gęstość energii, pojazd elektryczny może potrzebować 2/3 masy akumulatora dla tego samego zasięgu – co potencjalnie ogranicza ilość potrzebnych materiałów (i wydobycia) do tego pakietu. Po drugie, akumulatory w stanie stałym poprawiają bezpieczeństwo i trwałość, co ma pozytywny wpływ na środowisko: akumulator mniej podatny na zapłon lub degradację oznacza mniej wymian i mniej elektroodpadów w dłuższej perspektywie. Ponadto ich niepalny charakter może uprościć recykling (brak ryzyka pożaru podczas kruszenia/rozdrabniania starych ogniw). Z drugiej strony, produkcja niektórych rodzajów elektrolitów stałych może wiązać się z energochłonnymi procesami lub nowymi chemikaliami (takimi jak siarczki, które muszą być ostrożnie obsługiwane, aby uniknąć uwalniania toksycznych gazów). Pełna analiza cyklu życia (LCA) pokazuje, że ogniwa w stanie stałym mogą mieć mniejszy wpływ na środowisko, zwłaszcza jeśli umożliwiają produkcję lżejszych pojazdów elektrycznych zużywających mniej energii. Jednak w dużej mierze zależy to od konkretnej chemii. Warto zauważyć, że jeśli technologia w stanie stałym umożliwi szersze zastosowanie katod bez kobaltu (takich jak wysokoniklowe lub nawet litowo-żelazowo-fosforanowe w formacie stałym), całkowicie wyeliminuje to problemy związane z kobaltem. Rzeczywiście, niektóre firmy badają projekty akumulatorów w stanie stałym bez kobaltu. Podsumowując, akumulatory w stanie stałym powinny być czystsze w użytkowaniu (dzięki bezpieczeństwu i trwałości), ale nadal opierają się na licie i metalach wymagających intensywnego wydobycia – więc ich ekologiczność zależy od wyboru materiałów i postępów w recyklingu. Stanowią one ewolucyjną poprawę pod względem środowiskowym, a nie radykalną zmianę.
• Litowo-siarkowe: Akumulatory litowo-siarkowe oferują przekonujące korzyści środowiskowe dzięki zastosowanym materiałom. Katoda to siarka, która jest tania, nietoksyczna i niezwykle obfita – często pozyskiwana jako produkt odpadowy z rafinacji ropy naftowej i przetwarzania gazu ziemnego linkedin.com batterypoweronline.com. Wykorzystanie siarki w akumulatorach skutecznie przekształca odpady przemysłowe w magazyny czystej energii, co stanowi duży krok w stronę zrównoważonego rozwoju. Ogniwa Li-S nie zawierają również kobaltu, niklu ani manganu batterypoweronline.com, co pozwala uniknąć wydobycia tych metali ciężkich i związanych z tym zanieczyszczeń. Oznacza to, że przyszły samochód elektryczny z pakietem Li-S nie byłby powiązany z konfliktowymi minerałami ani szkodliwymi dla środowiska kopalniami niklu i kobaltu. Dodatkowo, obfitość siarki oznacza bardziej lokalny łańcuch dostaw; jak zauważa Celina Mikolajczak, „Ogniwa Li-S można produkować praktycznie na każdym kontynencie, korzystając z lokalnego łańcucha dostaw” batterypoweronline.com – co zmniejsza ślad węglowy wynikający z transportu materiałów na duże odległości. Po stronie anody, Li-S wykorzystuje metaliczny lit, więc dzieli wpływ wydobycia litu z innymi akumulatorami litowymi. Jednak ze względu na bardzo wysoką energię w przeliczeniu na wagę, może wykorzystywać mniej litu na kWh magazynowania niż obecne akumulatory litowo-jonowe (które wymagają nadmiaru litu w katodach i anodach). Istnieją również dowody, że ogniwa Li-S mogą być bardziej odporne na skrajne temperatury teslarati.com, co może sprawić, że będą bardziej wydajne w różnych klimatach (pośrednio to także korzyść dla środowiska). Główną wadą środowiskową Li-S jest niska żywotność cykli – akumulator, który trzeba często wymieniać, generuje więcej odpadów i zużywa więcej zasobów. Jak jednak wspomniano, trwają prace nad wydłużeniem żywotności cykli Li-S do poziomu innych technologii. Jeśli się to uda, akumulator Li-S może być jednym z najbardziej ekologicznych rozwiązań: jego główny materiał aktywny to w zasadzie nadający się do recyklingu produkt uboczny, a eliminacja trudno dostępnych metali czyni go bardziej zrównoważonym. Można wręcz argumentować, że Li-S przybliża magazynowanie energii do modelu gospodarki o obiegu zamkniętym: wykorzystując obfite pierwiastki i materiały z recyklingu (takie jak siarka, a w niektórych projektach nawet recyklingowany węgiel) do zasilania przyszłości.

Sedno: Wszystkie trzy alternatywy dążą do tego, aby być bardziej przyjazne dla środowiska niż obecne baterie litowo-jonowe, ale na różne sposoby. Sodowo-jonowa wyróżnia się pod względem zrównoważonego rozwoju dzięki tanim, powszechnie dostępnym materiałom (sód, żelazo) i minimalnemu zużyciu wody podczas wydobycia linkedin.com. Litowo-siarkowa jest również atrakcyjna ze względu na wykorzystanie siarki (zamiana odpadów w wartość) i unikanie metali konfliktowych batterypoweronline.com batterypoweronline.com. Litowo-stanowa nie zmienia tak drastycznie mieszanki surowców, ale jej wydajność i poprawa bezpieczeństwa przyczyniają się do bardziej ekologicznych efektów w całym cyklu życia baterii. Co ważne, wszystkie trzy mogą ograniczyć zależność od rzadkich, problematycznych pierwiastków (takich jak kobalt) i umożliwić bardziej recyklingowalne, szeroko dostępne łańcuchy dostaw – to pozytywna zmiana w miarę wzrostu światowej produkcji baterii.

Skalowalność i wdrożenie w przemyśle: jak szybko i gdzie?

Przełom w technologii baterii w laboratorium to ekscytująca sprawa – ale prawdziwe pytanie brzmi: jak szybko te technologie mogą być produkowane na dużą skalę i trafić na rynek? Oto spojrzenie na skalowalność i najnowsze ruchy branżowe dla każdej z nich:

• Sodowe-jonowe: Spośród tych trzech, technologia sodowo-jonowa dzieje się teraz. Już wchodzi do masowej produkcji w latach 2023-2024. Chiński gigant baterii CATL zaprezentował w 2023 roku pierwszą na świecie masowo produkowaną sodowo-jonową baterię do pojazdów elektrycznych (nazwaną „Naxtra”) i zaczął ją integrować z samochodami elektrycznymi pod koniec 2023 roku carnewschina.com carnewschina.com. Na przykład Chery Automobile ogłosiło, że jego nowy elektryczny mini-SUV iCAR będzie korzystać z sodowo-jonowych pakietów CATL, a BYD (kolejny duży gracz na rynku baterii EV) wprowadza sodowo-jonowe baterie do swoich tanich modeli, takich jak BYD Seagull carnewschina.com carnewschina.com. Warto zauważyć, że firmy te początkowo stosują hybrydowe systemy baterii – łącząc ogniwa sodowo-jonowe i litowo-jonowe w jednym pakiecie – aby zrównoważyć zalety i wady carnewschina.com. Takie „podwójne chemie” pozwalają pojazdom elektrycznym korzystać z niskiego kosztu i dobrej wydajności sodu w niskich temperaturach, przy jednoczesnym zwiększeniu zasięgu dzięki części ogniw litowych. Podkreśla to, że sodowo-jonowe są postrzegane jako uzupełnienie litowo-jonowych, a niekoniecznie całkowite zastąpienie w samochodach. Poza pojazdami, technologia sodowo-jonowa szybko się rozwija w obszarze stacjonarnego magazynowania energii (baterie sieciowe), gdzie jej niższa gęstość energii nie stanowi dużego problemu, a niski koszt i długa żywotność są ogromnymi zaletami linkedin.com. Firmy takie jak Natron (w USA) i Faradion (Wielka Brytania, obecnie należąca do indyjskiego Reliance Industries) budują produkcję ogniw sodowo-jonowych przeznaczonych do sieci energetycznych. Według Marii Forsyth z Deakin University, koszt i wysiłek potrzebny do przestawienia fabryki baterii litowych na sód jest dość niski, co oznacza, że „skalę produkcji baterii sodowych można szybko zwiększyć” linkedin.com. Rzeczywiście, analitycy zauważają, że Chiny bardzo szybko rozwinęły łańcuch dostaw sodowo-jonowych po prezentacji CATL w 2021 roku. Przy wielu fabrykach planowanych lub będących w budowie, sodowo-jonowe mają zająć znaczący udział w rynku w niszach takich jak dwukołowe pojazdy elektryczne, tanie samochody i magazynowanie energii odnawialnej w ciągu najbliższych kilku lat. Do 2025 powinniśmy spodziewać się baterii sodowo-jonowych w różnych produktach masowych na całym świecie, co czyni je najbardziej natychmiastowo skalowalną spośród tych trzech technologii.
• Wszystko-stanowe: Akumulatory w pełni stałe mają nieco dłuższą perspektywę czasową, ale wyścig o ich skalowanie jest intensywny. Dziesiątki firm i producentów samochodów inwestują ogromne środki, aby skomercjalizować technologię w pełni stałą. Toyota jest tu liderem – planuje rozpocząć produkcję akumulatorów w pełni stałych do 2027-28 dla nowej generacji pojazdów elektrycznych toyota-europe.com. W rzeczywistości Toyota niedawno ogłosiła powstanie dedykowanej „BEV Factory” do wprowadzenia zaawansowanych pojazdów elektrycznych w 2026 roku, a technologia w pełni stała jest przewidziana dla modeli wysokowydajnych rok lub dwa później toyota-europe.com toyota-europe.com. Startup QuantumScape wspierany przez Volkswagena wysłał próbki 24-warstwowych ogniw w pełni stałych do partnerów motoryzacyjnych w 2022 roku i buduje linię pilotażową, dążąc do komercjalizacji około 2025-2026 geekwire.com geekwire.com. Kolejnym graczem jest Solid Power (współpracujący z BMW i Fordem), który rozwija linię pilotażową do produkcji ogniw EV w pełni stałych z wykorzystaniem elektrolitów siarczkowych; planują dostarczyć prototypowe akumulatory do testów motoryzacyjnych i przejść do produkcji masowej pod koniec tej dekady. Co imponujące, Solid Power twierdzi, że ich konstrukcja mogłaby zasilać 800 000 pojazdów elektrycznych rocznie do 2028 roku, gdy planowana rozbudowa zostanie ukończona linkedin.com. Inne godne uwagi działania to Samsung i Hyundai w Korei Południowej, które zaprezentowały prototypy w pełni stałych akumulatorów (Samsung ujawnił ogniwo o wysokiej gęstości w 2020 roku), oraz tajwańska firma ProLogium, która zamierza dostarczać akumulatory producentom samochodów do połowy lat 20. XXI wieku. Chociaż żaden w pełni stały akumulator nie trafił jeszcze na rynek konsumencki, postęp jest stały i pierwsze rzeczywiste wdrożenia mogą nastąpić w mniejszych urządzeniach: na przykład mówi się, że Samsung planuje użyć w pełni stałego akumulatora w przyszłym smartwatchu jako niskiego ryzyka testu. Skalowanie technologii w pełni stałej wymaga przezwyciężenia wyzwań produkcyjnych (cienkie warstwy elektrolitu stałego, nowe metody montażu), ale rośnie pewność w tej dziedzinie. „Przełomy w tej dziedzinie pojawiają się nieustannie,” pisze analityczka Freya Zeng, zauważając, że to, co kiedyś wydawało się niemożliwym do skalowania projektem naukowym, teraz zmierza ku fabrycznej rzeczywistości linkedin.com linkedin.com. Konsensus jest taki, że 2030 zobaczy w pełni stałe bbaterie w wielu pojazdach z wyższej półki, z istotną obecnością na rynku być może już w 2027 w ograniczonej liczbie modeli. Producenci samochodów generalnie celują w drugą połowę lat 2020., aby wprowadzić na rynek pierwsze pojazdy elektryczne zasilane akumulatorami ze stałym elektrolitem, początkowo w segmentach premium (gdzie koszt jest mniej istotny), a następnie w szerszych modelach, gdy wolumen produkcji wzrośnie, a koszty spadną.
• Litowo-siarkowe: Baterie litowo-siarkowe są nieco dalej od codziennego użytku, ale nie są już tylko ciekawostką akademicką – zmierzają w kierunku komercjalizacji w określonych zastosowaniach. Jeden z ekscytujących postępów: LG Energy Solution (drugi co do wielkości na świecie producent baterii do pojazdów elektrycznych) ogłosił, że z powodzeniem przetestował drona zasilanego baterią litowo-siarkową, a LG planuje masową produkcję baterii Li-S do 2027 roku o gęstości energii około „dwukrotnie większej niż baterie litowo-jonowe” linkedin.com. Sugeruje to, że LG widzi możliwość uczynienia Li-S realnym rozwiązaniem dla prawdziwych produktów (dziś drony, być może jutro lotnictwo elektryczne lub pojazdy elektryczne). W Niemczech startup Theion aktywnie rozwija ogniwa Li-S skierowane na rynek EV, pracując nad wydłużeniem żywotności cyklu i zarządzaniem chemią siarki linkedin.com. W USA Lyten buduje pilotażową linię produkcyjną o mocy 100 MWh w 2025 roku i planuje fabrykę Li-S o mocy 6 GWh do 2027 roku batterypoweronline.com – co oznacza, że spodziewają się zamówień komercyjnych na takie rzeczy jak pojazdy dostawcze, ciężki sprzęt i być może niszowe serie motoryzacyjne batterypoweronline.com. I choć brytyjski pionier Li-S, OXIS Energy, zbankrutował w 2021 roku zanim osiągnął masową produkcję, jego własność intelektualna została przejęta przez Johnson Matthey, co wskazuje na utrzymujące się zainteresowanie potencjałem tej technologii. Wczesnymi użytkownikami Li-S będą prawdopodobnie sektory, które potrzebują najwyższej gęstości energii i mogą początkowo zaakceptować krótszą żywotność cyklu. Pomyśl o lotnictwie i awiacji (gdzie waga jest kluczowa) – rzeczywiście, Susanne Doerfler z Fraunhofera podkreśliła, że „lotnictwo jest najbardziej obiecującym zastosowaniem [dla Li-S], ponieważ potrzebujemy lekkich baterii, a każdy kilogram się liczy” batterypoweronline.com. Drony wysokiego pułapu, samoloty elektryczne i projekty kosmiczne/satelitarne już testują ogniwa Li-S. Na przykład solarny dron HAPSMobile i inne eksperymentowały z bateriami Li-S, aby umożliwić ultradługie loty. W miarę jak te sukcesy będą się mnożyć, Li-S będzie coraz bliżej samochodów elektrycznych. Możemy zobaczyć limitowane serie luksusowych EV lub hipersamochodów wykorzystujących Li-S pod koniec lat 2020. jako pokaz możliwości (gdzie koszt nie gra roli), ale szersze zastosowanie w motoryzacji prawdopodobnie poczeka do lat 30. XXI wieku, gdy żywotność cyklu i niezawodność osiągną standardy masowego rynku. Podsumowując, litowo-siarkowe stopniowo się skalują, są około 2–3 lata za technologią solid-state pod względem harmonogramu. Firmy celują w lata 2025–2028 na początkową produkcję i specjalistyczne zastosowania, z nadzieją, że ciągłe ulepszenia wkrótce otworzą większe rynki. Jeśli trwające prace badawczo-rozwojowejeśli się opłaci, akumulatory Li-S mogą okazać się przełomem dla branży pojazdów elektrycznych w następnej dekadzie.

Wyzwania produkcyjne: Co je powstrzymuje?

Każda z tych technologii akumulatorów niesie ze sobą unikalne wyzwania produkcyjne, które muszą zostać pokonane, aby mogły być produkowane wydajnie i w wysokiej jakości:

• Sodowo-jonowe: Na szczęście akumulatory sodowo-jonowe są w dużej mierze przyjazne produkcji. Zostały zaprojektowane tak, aby w jak największym stopniu mogły zastąpić akumulatory litowo-jonowe na liniach produkcyjnych. Jak zauważa profesor Maria Forsyth, z perspektywy fabryki „istniejące fabryki akumulatorów litowo-jonowych można nieznacznie zmodyfikować, aby produkowały akumulatory sodowe” linkedin.com. Oznacza to, że firmy nie muszą wymyślać całkowicie nowego procesu montażu – mogą używać tego samego sprzętu do powlekania elektrod, montażu ogniw itp., z dostosowaniami do materiałów specyficznych dla sodu. Istniejące wyzwania obejmują opracowanie wysokowydajnych materiałów katodowych (takich jak tlenki warstwowe lub analogi błękitu pruskiego, które dobrze współpracują z sodem) na dużą skalę – materiały te różnią się od dobrze znanych katod litowych, więc łańcuchy dostaw są dopiero rozwijane. Ponadto anoda w akumulatorach sodowo-jonowych często wykorzystuje twardy węgiel; produkcja spójnego, wysokiej jakości twardego węgla ze zrównoważonych źródeł to obszar ciągłych prac. Kolejne wyzwanie: zapewnienie długowieczności – ponieważ jony sodu są większe, mogą powodować większą ekspansję materiałów elektrodowych. Producenci muszą precyzyjnie dostrajać konstrukcje elektrod, aby to uwzględnić, nie powodując pękania lub szybkiej degradacji. Ogólnie jednak, nie są potrzebne żadne egzotyczne etapy produkcyjne dla sodowo-jonowych, co znajduje odzwierciedlenie w fakcie, że w Chinach już powstaje wiele dużych fabryk akumulatorów sodowych. Można powiedzieć, że ryzyko produkcyjne dla sodowo-jonowych jest stosunkowo niskie i to jeden z powodów, dla których ta technologia jako pierwsza trafia na rynek.
• Całkowicie stałe: Baterie ze stałym elektrolitem napotykają na największe wyzwania produkcyjne. Produkcja ogniwa ze stałym elektrolitem znacznie różni się od produkcji tradycyjnej baterii. Kluczowym elementem jest separator ze stałego elektrolitu – może to być cienka ceramiczna płytka (jak w projekcie QuantumScape) lub warstwa przypominająca szkło siarczkowe (jak w projekcie Solid Power). Ceramika musi być spiekana lub nanoszona w bardzo cienkich warstwach (dziesiątki mikrometrów lub mniej) bez pęknięć i defektów, co jest trudne do osiągnięcia szybko i równomiernie na dużą skalę. Na przykład QuantumScape musiało opracować własny, zastrzeżony proces produkcji swojego ceramicznego separatora i projektu bezanodowego geekwire.com. Przeskalowanie tego z pojedynczych warstw laboratoryjnych do wielowarstwowych ogniw typu pouch, a następnie do masowej produkcji, to żmudne zadanie. Profesor Shirley Meng zwróciła uwagę, że „baterie ze stałym elektrolitem mogą napotkać większe wyzwania przy skalowaniu produkcji” – procesy te po prostu nie są tak dojrzałe jak zwijanie „jellyrolli” ogniw z ciekłym elektrolitem linkedin.com. Kolejne wyzwanie: inżynieria interfejsów – zapewnienie, by stały elektrolit stale i dokładnie stykał się z elektrodami na dużych powierzchniach. Każda drobna szczelina lub nierówność może powodować opór lub umożliwiać powstawanie dendrytów. Często wymaga to dociskania elementów pod ciśnieniem lub dodawania specjalnych powłok międzyliniowych, co komplikuje produkcję. Technologia stałego elektrolitu wymaga także wyjątkowo suchych i czystych warunków produkcyjnych (wilgoć może zniszczyć niektóre stałe elektrolity, zwłaszcza lit metaliczny i siarczki, które reagują tworząc gaz siarkowodorowy). Utrzymanie takich warunków na skalę gigafabryki będzie kosztowne. Wreszcie, testowanie i kontrola jakości ogniw ze stałym elektrolitem to nowy obszar – nie można stosować dokładnie tych samych szybkich technik formowania i testowania, co w przypadku ogniw z ciekłym elektrolitem. Wszystkie te przeszkody oznaczają, że nawet jeśli technologia stałego elektrolitu działa w laboratorium, produkcja milionów bezbłędnych ogniw rocznie jest główną barierą. Firmy radzą sobie z tym, budując linie pilotażowe (linia QS-0 QuantumScape, zakład pilotażowy Solid Power, nadchodząca linia Toyoty), by wyeliminować problemy. Najbliższe lata będą kluczowe dla udoskonalenia produkcji. Wielu ekspertów twierdzi, że to nie kwestia „czy”, ale „kiedy” – przy odpowiednich inwestycjach i talencie inżynierskim wyzwania zostaną pokonane, choć może to potrwać nieco dłużej i wymagać większych nakładów niż początkowo zakładano. Do końca lat 20. XXI wieku powinniśmy się przekonać, czy udało się opracować technologię masowej produkcji baterii ze stałym elektrolitem przy wysokiej wydajności.
• Litowo-siarkowe: Produkcja akumulatorów litowo-siarkowych wiąże się z własnym zestawem wyzwań, głównie związanych z zarządzaniem nietypową chemią. W przeciwieństwie do litowo-jonowych, które opierają się na chemii interkalacyjnej, Li-S to chemia konwersyjna – siarka przekształca się w siarczek litu i z powrotem – co powoduje ogromne zmiany objętości (katoda siarkowa może się rozszerzyć o ok. 78% przy pełnym rozładowaniu) teslarati.com. Zaprojektowanie ogniwa, które wytrzyma wielokrotne pęcznienie i kurczenie się, jest trudne; wymaga trwałych lepiszczy i elastycznych konstrukcji ogniw. Dochodzi do tego słynny efekt wahadła polisiarczkowego – siarka rozpuszcza się i migruje do anody. W produkcji oznacza to konieczność szczególnej dbałości o projekt ogniwa: często dodaje się powłokę separatora lub membranę, aby zatrzymać te polisiarczki (np. membrana na bazie Kevlaru z badań Uniwersytetu Michigan teslarati.com). Wprowadzenie takich membran lub zaawansowanych separatorów to dodatkowe etapy produkcji. Ponadto, ponieważ siarka jest izolatorem, katody Li-S wymagają dużej ilości przewodzącego węgla w mieszance, a czasem nowatorskich nanomateriałów (np. trójwymiarowa struktura grafenowa firmy Lyten) batterypoweronline.com. Jednolite mieszanie i powlekanie tych katod na dużą skalę nie jest trywialne – zbyt mało węgla i siarka nie dostarczy mocy; zbyt dużo i tracisz gęstość energii. Po stronie anody stosowanie folii z metalu litowego również stanowi wyzwanie: metaliczny lit jest bardzo reaktywny z powietrzem i wilgocią, więc montaż ogniw musi odbywać się w suchych pomieszczeniach, a obsługa cienkich folii litowych bez uszkodzeń jest trudna. Niektórzy producenci Li-S unikają czystej folii litowej, stosując alternatywne chronione anody lub strategie prelityzacji, co może uprościć produkcję kosztem dodatkowych etapów przygotowania materiału. Kolejnym wyzwaniem produkcyjnym jest kontrola jakości: zapewnienie, że każda cela ma w pełni przekształconą siarkę podczas formowania (pierwsze cykle ładowania) i nie zawiera resztkowych polisiarczków, które mogłyby skrócić żywotność. Ponieważ nikt wcześniej nie produkował masowo Li-S, istnieje krzywa uczenia się podobna do tej, którą przechodziły akumulatory litowo-jonowe w latach 90. – należy się spodziewać prób i błędów. Upadek OXIS Energy w 2021 roku, po zbudowaniu linii pilotażowej, pokazał, że osiągnięcie komercyjnych wydajności i niezawodności dla Li-S było trudniejsze niż przewidywano. Jednak od tego czasu branża wiele się nauczyła. Fakt, że gigant branżowy taki jak LG Energy Solution planuje masową produkcję w 2027 roku, pokazuje, że istnieje przekonanie, iż te problemy produkcyjne można rozwiązać w tym terminie linkedin.com. Prawdopodobnie rozwiązali już wiele problemów (być może stosując dodatki lub półstałe architektury do zatrzymywania siarki). Startupy takie jak Lyten i Sion Power (która przestawiła się na hybrydowe podejście Li-S) również zdobywają wiedzę produkcyjną na mniejszą skalę. Należy się spodziewać, że pierwsze fabryki Li-S będą produkować stosunkowo niewielkie ilości (kilkaset MWh rocznie), dopóki nie dopracują procesów, a następnie stopniowo zwiększać skalę wraz z potwierdzeniem powtarzalności. Podsumowując, Wyzwania produkcyjne związane z litowo-siarkowymi bateriami koncentrują się wokół kontrolowania ich trudnej chemii na dużą skalę – ale stały postęp w inżynierii materiałowej toruje drogę naprzód. Jak zażartował jeden z badaczy, jeśli te problemy zostaną rozwiązane, Li-S naprawdę stanie się „świętym Graalem” baterii batterypoweronline.com batterypoweronline.com – a właśnie na rozwiązywaniu tych problemów skupiają się obecne wysiłki.

Wnioski: Droga przed nami dla baterii nowej generacji

Wyścig o dominującą technologię baterii nowej generacji jest już w pełni, i nie jest to pojedynczy sprint, lecz trzy wyścigi toczące się równolegle. Każdy z kandydatów – sodowo-jonowe, ze stałym elektrolitem i litowo-siarkowe – wyróżnia się w niektórych obszarach, a w innych ma trudności, i każdy prawdopodobnie znajdzie swoją niszę na ogromnym rynku baterii.

• Baterie sodowo-jonowe wyłaniają się jako praktyczny mistrz pod względem przystępności cenowej i bezpieczeństwa w najbliższym czasie. Może nie przewyższą litowo-jonowych pod względem energii, ale ich niska cena, bezpieczeństwo zasobów i łatwość produkcji dają im szybką ścieżkę do wdrożenia. Nie zdziw się, jeśli za kilka lat Twój domowy magazyn energii lub budżetowy samochód elektryczny będzie z dumą reklamował baterię sodowo-jonową, zapewniającą niezawodną wydajność przy niskich kosztach. Jak ujął to CEO Faradion, „Sód jest bardziej zrównoważonym materiałem do baterii niż lit” linkedin.com – i branża wyraźnie bierze to sobie do serca, szybko zwiększając skalę produkcji.
• Baterie litowe całkowicie ze stałym elektrolitem to zaawansowany technologicznie ciężki zawodnik – nieco dalej od masowej produkcji, ale gotowy na nowo zdefiniować, co mogą zaoferować baterie w samochodach i urządzeniach codziennego użytku. Zastępując ciecz ciałem stałym, obiecują skokowy wzrost zasięgu, szybkie ładowanie i bezpieczeństwo, które mogą sprawić, że samochody elektryczne staną się bezapelacyjnie lepsze od pojazdów spalinowych pod każdym względem. Takie firmy jak Toyota, Volkswagen i Samsung inwestują miliardy, by dopracować technologię solid-state. Harmonogram (lata 2020. dla pierwszych modeli) oznacza, że konsumenci będą musieli jeszcze trochę poczekać. Ale biorąc pod uwagę postępy – z ekspertami takimi jak noblista Stan Whittingham nazywającymi solid-state prawdziwym „przełomem dla pojazdów elektrycznych” geekwire.com – warto poczekać. Gdy produkcja nadąży, baterie solid-state mogą stać się nowym standardem dla elektroniki premium i samochodów elektrycznych, a z czasem trafią do wszystkich segmentów wraz z poprawą efektu skali.
• Baterie litowo-siarkowe to dzika karta – mają największy potencjał, ale też najwięcej do udowodnienia. Mają niemal mityczny urok: wyobraź sobie samochód elektryczny, który przejeżdża ponad 800 mil na jednym ładowaniu i kosztuje mniej niż dzisiejszy akumulator o zasięgu 300 mil, bo jest zrobiony z siarki i litu – właśnie to obiecują baterie Li-S. Co niezwykłe, każdego roku są coraz bliżej rzeczywistości, rozwiązując problemy z żywotnością i stabilnością, które kiedyś uznawano za nie do pokonania. W najbliższych latach Li-S prawdopodobnie znajdą zastosowanie w najbardziej zaawansowanych dziedzinach (drony, lotnictwo, być może ciężarówki o ultradługim zasięgu), gdzie ich wyjątkowa, wysoka gęstość energii i lekkość są atutem mimo krótszej żywotności. Gdy te przyczółki zostaną zdobyte, a technologia dojrzeje (być może z pomocą hybrydowych rozwiązań lub elektrolitów stałych, które okiełznają siarkę), Li-S mogą wkroczyć na rynek samochodów elektrycznych. Głosy branżowe są optymistyczne, ale ostrożne – „komercyjne baterie Li-S nie są jeszcze dostępne z powodu szeregu wyzwań” batterypoweronline.com, podkreśla jeden z raportów, jednocześnie opisując przełomy, które właśnie te wyzwania rozwiązują. Jeśli litowo-siarkowe spełnią choćby część swoich obietnic, będą przełomem dla zrównoważonego transportu i magazynowania energii, uzupełniając inne technologie.

Możliwe jest również, że żadna pojedyncza technologia nie „wygra” całkowicie. Zamiast tego możemy mieć zróżnicowany ekosystem baterii: sodowo-jonowe zapewniające opłacalne magazynowanie energii dla sieci i tanich samochodów, stałoskładnikowe napędzające wysokowydajne pojazdy elektryczne i gadżety konsumenckie, a litowo-siarkowe umożliwiające ultralekkie, długowieczne baterie do specjalistycznych zastosowań. Jak trafnie zauważyła profesor Maria Forsyth, „nie ma potrzeby zastępować litu we wszystkich bateriach; [celem jest] wdrożenie odpowiedniej technologii baterii we właściwym miejscu” linkedin.com. Ostatecznie prawdziwym zwycięzcą jest konsument i planeta – bo ta konkurencja napędza innowacje w kierunku baterii bezpieczniejszych, tańszych, trwalszych i bardziej zrównoważonych niż kiedykolwiek wcześniej. Rewolucja bateryjna lat 20. XXI wieku trwa w najlepsze i nabiera tempa nie na jednym, lecz na trzech frontach.

Źródła: Informacje i cytaty zawarte w tym raporcie pochodzą z najnowszych analiz branżowych, wywiadów z ekspertami oraz ogłoszeń firmowych, w tym z raportów badaczy i przedstawicieli firm z branży baterii linkedin.com linkedin.com batterypoweronline.com geekwire.com toyota-europe.com, a także z wiadomości o najnowszych osiągnięciach technologicznych wiodących firm, takich jak CATL, Toyota, LG, QuantumScape i innych catl.com carnewschina.com linkedin.com toyota-europe.com. Wszystkie źródła zostały podane w tekście do weryfikacji. Rynek baterii rozwija się bardzo dynamicznie, więc bądź na bieżąco – dzisiejszy eksperyment laboratoryjny może stać się jutrzejszym hitem rynkowym, gdy nowa generacja baterii przechodzi od badań do wdrożenia. linkedin.com batterypoweronline.com