Începând din toamna anului trecut, au năvălit pe străzile patriei ca ciupercile după ploaie. Le-ai văzut deja prin toată țara, indiferent de localitatea în care locuiești, întrucât au fost cumpărate deja de peste 3.000 de români, potrivit datelor APIA valabile până în decembrie 2021.

La fel ca orice alt subiect la modă în România, Dacia Spring a împărțit țara în două. Pentru că, pentru fiecare om care apreciază Spring-ul dintr-un motiv sau altul, găsești cel puțin unul care să se plângă că Spring-ul ocupă inutil stațiile rapide pentru că oricum se încarcă cu numai 30 kW sau că nu poți ajunge nici măcar la Ploiești din cauza autonomiei scăzute. 

Chiar dacă nu-mi face mare plăcere să recunosc, într-un anumit fel, criticii de serviciu chiar au dreptate. Dar în realitate ei nu au făcut altceva decât să scoată în evidență o serie de probleme pe care le au de fapt toate mașinile electrice de pe piață, indiferent de marcă, model sau segment. 

Este adevărat că producătorul suedezo-elvețian ABB a lansat în toamna anului trecut o stație de 360 kW care furnizează curent electric pentru 100 de kilometri în mai puțin de 3 minute. Este adevărat că Mercedes-EQS are o autonomie maximă teoretică de 780 de kilometri. Iar aceste progrese au loc datorită faptului că inginerii ajustează compoziția chimică a electrozilor sau electroliților sau optimizează dimensiunile și forma celulelor într-o baterie. 

Dar la nivelul întregii piețe auto din lume, acestea sunt încă mai degrabă excepții. Excepții de la regula că încărcarea unei mașini electrice durează, totuși, câteva zeci de minute la stațiile rapide și de la regula că autonomia reală se învârte undeva la 200-300-400 de kilometri, în funcție de model, capacitatea bateriei, performanțele motorului sau motoarelor electrice și, nu în ultimul rând, de anotimp. 

În paralel cu progresele constante (dar lente) ale actualei tehnologii Li-Ion pe care se bazează bateriile mașinilor electrice (și, practic, ale tuturor dispozitivelor moderne care funcționează cu acumulatori), constructorii auto și numeroși alți producători din domeniu lucrează de zor la alternative.

Despre una dintre alternative ți-am povestit deja anterior: litiul este înlocuit cu sodiu pentru a obține încărcare rapidă, performanțe bune la temperaturi scăzute și eficiență energetică superioară. Doar că bateriile bazate pe sodiu oferă puține cicluri de încărcare-descărcare și au o densitate de energie mai scăzută care aproape că dublează masa bateriei pentru a oferi o autonomie similară. 

Adevărata alternativă pare să fie reprezentată de bateriile solid-state, iar noua revoluție tehnologică ne este promisă, în anumite cercuri limitate, până la sfârșitul acestui deceniu. 

Ce sunt bateriile solid-state?

Chiar dacă au nume complet diferite, celulele unei baterii solid-state folosesc în principiu aceeași reacție chimică pentru ionii de litiu ca și celulele bateriilor Li-Ion. Diferența majoră este reprezentată de electrolitul folosit pentru a separa anodul și catodul și pentru a permite astfel mișcarea ionilor de litiu. 

Mai exact, celulele bateriilor Li-Ion disponibile astăzi pe orice mașină electrică mizează pe un electrolit lichid, care de cele mai multe ori este reprezentat de o sare de litiu suspendată într-un solvent organic. În schimb, celulele bateriilor solid-state folosesc un electrolit solid realizat din ceramică, sticlă sau polimer. Evident, de la acest electrolit solid provine și numele tehnologiei: solid-state. 

Utilizarea unui electrolit solid în locul electrolitului lichid prezintă cel puțin patru avantaje majore pentru industria auto comparativ cu electrolitul lichid din bateriile Li-Ion:

• celulele bateriilor solid-state sunt mai ușoare și au dimensiuni mai mici. În practică, producătorii pot profita de acest avantaj în două moduri: fie dezvoltă o baterie de aceeași capacitate, dar cu o masă mai scăzută și cu o dimensiune mai mică, fie produc o baterie de aceeași dimensiune, dar cu o capacitate mai mare care să permită, evident, creșterea autonomiei;

• celulele bateriilor solid-state se încarcă mai repede. Indiferent de tehnologia folosită, există tendința ca unii ioni de litiu să se depună pe suprafața anodului și să nu poată fi absorbiți în anod în timp util. Testele realizate până în prezent au arătat că celulele bateriilor solid-state sunt mai rezistente la acest proces de depunere a ionilor de litiu, iar acest lucru are ca efect o îmbunătățire semnificativă a vitezelor de încărcare. Cât de semnificativă? Ce spui de 10 minute pentru o încărcare completă a bateriei?

• riscul de incendiu este semnificativ mai mic. Uneori, celulele unei baterii pot fi defecte sau se pot deteriora în timp din anumite motive. Într-o astfel de situație, în cazul bateriilor Li-Ion, electrolitul lichid este expus mediului înconjurător, ceea ce crește riscul unui incendiu. În schimb, electroliții solizi sunt rezistenți la foc și explozii, chiar și în cazul în care se deteriorează în timp. 

• proces de producție simplificat. Teoretic, bateriile solid-state vor avea un proces de producție simplificat, cu mai puține etape intermediare, ceea ce se va traduce prin capacități mai mari de producție. Cel puțin așa spune teoria inginerilor, care admit însă că acest lucru rămâne de demonstrat în practică în momentul în care va exista o producție în masă a acestor componente. 

Practic, pe baza acestor avantaje, bateriile solid-state se încarcă în numai 10 minute, oferă o autonomie estimată la cel puțin 800 de kilometri și sunt mai ușoare.

Și atunci, de ce nu sunt încă pe piață? Ei bine, ultimul mare obstacol, cel decisiv pentru producția în masă, este reprezentat de numărul de cicluri de încărcare-descărcare foarte scăzut. Cauza este deja cunoscută și este reprezentată de depunerea ionilor de litiu pe suprafața anodului (vezi câteva paragrafe mai sus), care determină o degradare rapidă în timp a bateriei. 

Cât de rapidă? Studiile realizate până în prezent indică faptul că o baterie solid-state își păstrează o capacitate decentă doar până la circa 100 de cicluri de încărcare. Chiar și dacă încarci o mașină electrică o dată la 3 zile, tot înseamnă că după numai un an autonomia va fi mult mai mică decât cea inițială. 

În plus, unele cercetări au scos în evidență probleme legate de stabilitatea materialelor din compoziția unei celule care conduc la fracturi microscopice care limitează performanțele. 

În acest context, debutul bateriilor solid-state pe modele de serie pe care să le poți cumpăra din showroom este încă departe. Asta nu înseamnă însă că producătorii auto sau diverse alte instituții de cercetare nu au anunțat deja o serie de informații concrete despre dezvoltarea unor baterii solid-state. 

Chinezii fură curent

Dacă ești cât de cât la curent cu gama de mașini electrice disponibile în Europa, știi probabil că piața a început să devină atractivă inclusiv pentru producătorii chinezi. Printre ei și Nio, un constructor care a devenit popular pe bursa americană la începutul anului 2021 în “epoca” acțiunilor GameStop. 

Nio are un model de afaceri complet diferit, în care oferă fiecărui client posibilitatea să înlocuiască rapid bateria mașinii, iar constructorul a anunțat în ianuarie 2021 dezvoltarea unor baterii de 150 kWh care să ofere autonomii de aproximativ 1.000 de kilometri pe baza vechiului standard NEDC (să zicem undeva la 800 de kilometri WLTP). 

Nio susține că noua baterie, care va fi disponibilă pe un sedan electric complet nou de la sfârșitul acestui an, este de tip solid-state. Asta deși am stabilit că primele baterii solid-state sunt departe. 

Care-i șpilu’? Nio vrea să folosească o baterie cu un electrolit solid în locul electrolitului lichid tipic tehnologiei Li-Ion. Totuși, bateria va continua să aibă o serie de componente lichide pentru a asigura un număr de cicluri de încărcare decent, motiv pentru care bateria nu poate fi numită cu adevărat solid-state. De altfel, presa internațională numește această baterie semi-solid-state sau chiar solid-state-hybrid. Bateria în cauză este dezvoltată în prezent de un producător minor din China pe nume WeLion New Energy Technology, despre care există informații că nu va fi capabil să furnizeze suficient de multe baterii pentru a acoperi cererea la care se așteaptă Nio. 

Între timp, producătorul chinez Dongfeng, care a cumpărat 14% din Grupul Peugeot-Citroen în 2014, a prezentat o flotă de taxi-uri formată din 50 de mașini electrice E70 echipate de asemenea cu astfel de baterii semi-solid-state concepute de un alt producător chinez, Ganfeng. 

Presa internațională susține că producătorul chinez Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL), cel mai mare furnizor de baterii pentru mașini electrice din lume, dezvoltă de asemenea o baterie semi-solid-state pe baza unei tehnologii diferite, care presupune utilizarea unei cantități mari de nichel. 

Samsung și glonțul de argint

Pe de altă parte, alți mari producători de baterii pentru mașini electrice lucrează la soluții concrete pentru dezvoltarea de baterii solid-state, fără intermediarul semi-solid-state. Printre ei se numără și Samsung, care prin divizia Samsung SDI furnizează baterii pentru numeroși constructori auto. 

Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie Avansată Samsung și Institutul de Cercetare și Dezvoltare Samsung din Japonia au decis să înlocuiască anodul de litiu pentru a elimina astfel problema depunerilor de ioni de litiu. 

Și l-au înlocuit cu un strat de compozit realizat din argint și carbon (Ag-C) care are o grosime de numai 5 micrometri (adică 0.05 milimetri). În cadrul unui studiu, această schimbare a permis o creștere a numărului de cicluri de încărcare-descărcare, dar și o creștere a densității de energie: volumul unei baterii solid-state cu compozit din argint și carbon este cu 50% mai mic decât al unei baterii convenționale Li-Ion. În teorie, inginerii Samsung estimează că o astfel de baterie permite lansarea unor mașini electrice cu autonomie de 800 de kilometri, iar numărul ciclurilor de încărcare-descărcare poate ajunge la 1000. Adică minim 9 ani, dacă încarci mașina o dată la 3 zile. 

Sună bine, dar simt nevoia să repet: este doar un studiu cu rezultate pur teoretice. 

Produsul acestui studiu ar putea fi sămânța pentru bateriile sigure și performante ale viitorului.

Dongmin Im, liderul proiectului dezvoltat de Samsung

În traducere, domnul Im n-are nici cea mai mică idee dacă și când va putea Samsung să lanseze o astfel de baterie pe piață. Dar oamenii lucrează la un astfel de proiect, ceea ce este suficient de încurajator pentru mine.

Toyota Prius cu baterii solid-state

La începutul acestui an, Toyota a oferit o actualizare a planurilor sale pentru dezvoltarea unei baterii solid-state, despre care a anunțat primele detalii prin 2020. 

Iar constructorul japonez mizează pe o strategie diferită. Nu știm prea multe detalii tehnice, însă Toyota a decis ca primele sale baterii solid-state să fie montate pe hibrizi. Care-i logica?

Gill Pratt, directorul Institutului de Cercetare Toyota, are mai multe argumente în favoarea unei astfel de decizii, iar totul pleacă de la faptul că bateriile necesare pentru hibrizi sunt mai mici decât cele ale modelelor electrice. Asta ajută în primul rând pentru că, cel puțin teoretic, bateriile hibrizilor se încarcă cu o frecvență semnificativ mai ridicată, o metodă excelentă pentru a testa în viața reală numărul de cicluri de încărcare-descărcare. În plus, costurile de dezvoltare sunt în acest stadiu ridicate, iar utilizarea unor baterii mai mici va permite o ajustare a costurilor per vehicul. 

Vrem să începem să punem baterii solid-state în vehicule acolo unde credem că sunt cele mai potrivite în privința duratei de viață, dar și pentru a le testa suficient înainte de scăderea costurilor de producție.

Gill Pratt, directorul Institutului de Cercetare Toyota

Partea cea mai bună? Toyota susține că primii hibrizi echipați cu baterii solid-state vor fi disponibili pentru achiziție în 2025.  

Alți constructori auto au fost ceva mai zgârciți cu informațiile. QuantumScape, companie finanțată de Grupul Volkswagen, vrea să prezinte un prim produs în 2024, BMW promite o demonstrație cu o baterie solid-state în 2025, iar Daimler și Stellantis anunță noutăți în domeniu pentru 2026. De asemenea, Nissan susține că va lansa în 2028 un model de serie cu baterii solid-state, în timp ce Ford, GM și Hyundai investighează la rândul lor noua tehnologie. 

O tehnologie Fulminantă

Între timp, un producător italian pe nume Automobili Estrema dezvoltă hypercar-ul Fulminea cu patru motoare electrice cu 2040 de cai putere și o accelerație de la 0 la 320 km/h în mai puțin de 10 secunde. Partea care ne interesează însă pe noi abia acum vine: energia electrică provine de la o baterie de 100 kWh cu o autonomie de 520 de kilometri. 

Este și momentul să-i lăsăm în urmă pe chinezi și japonezi, pentru că bateria este dezvoltată de compania belgiană Avesta Battery and Energy Engineering (ABEE). Și, desigur, este o baterie solid-state, pentru că anodul utilizează litiu, catodul folosește nichel, iar electrolitul este un derivat al sulfului pe nume sulfură (pentru pasionații de chimie, sulfura are simbolul chimic S^2-). Inginerii de la ABEE anticipează că bateria de 100 kWh va avea mai puțin de 300 de kilograme. 

În prezent, bateriile noastre solid-state au o densitate de energie de circa 400 Wh pe kilogram, adică dublu comparativ cu densitatea tipică de energie din bateriile Li-Ion. Până în 2025 avem ca obiectiv să creștem densitatea de energie la 450 Wh pe kilogram.

Noshin Omar, CEO și fondator la ABEE

Dacă proiectul decurge conform planurilor, hypercarul Fulminea ar trebui să apară pe piață în a doua jumătate a anului 2023, așa că are șanse să devină primul model de serie cu baterie solid-state. Fie el și un model de câteva milioane de euro dezvoltat în numai câteva unități. 

Universitatea California și dragostea pentru siliciu

Hai să continuăm călătoria noastră globală (și virtuală) în căutarea bateriei solid-state perfecte cu o trecere peste Atlantic pentru a ajunge în Statele Unite. Mai exact, la Universitatea California din San Diego, acolo unde cercetătorii conduși de inginerul de nanotehnologie Zheng Chen colaborează cu sud-coreenii de la LG. Alegerea nu este întâmplătoare, întrucât LG deține divizia LG Chem, unul dintre cei mai importanți furnizori de baterii Li-Ion din industria auto. 

Ei bine, cercetătorii de la Universitatea California încearcă să dezvolte o baterie solid-state în care să înlocuiască litiul din anod cu siliciu. Asta pentru că siliciul este un semiconductor care, spre deosebire de anodul din litiu, permite mai multe cicluri de încărcare-descărcare pentru baterie la temperaturi obișnuite (circa 25 de grade Celsius), astfel că elimină principala problemă a bateriilor solid-state: ciclurile reduse de încărcare. 

Asta ca să nu mai menționez că siliciul este al doilea cel mai abundent element din crusta terestră și este deja folosit pe scară largă în procesoarele dispozitivelor și calculatoarelor pe care le folosim uzual. 

Litiul a fost considerat Sfântul Graal al anodului. Siliciul deschide însă o gamă variată de posibilități: este abundent, ieftin și sigur. Este o abordare mai prietenoasă cu mediul înconjurător.

Zheng Chen, inginer de nanotehnologie la Universitatea California

La fel ca și în cazul bateriei dezvoltate de ABEE pentru Fulminea, electrolitul acumulatorului dezvoltat de echipa lui Chen folosește sulfură. Practic, vorbim de o abordare doar un pic diferită, în care Chen are însă mare încredere de succes. Și este acoperit de fapte, întrucât testele preliminare de laborator indică 500 de cicluri de încărcare-descărcare cu păstrarea a 80% din capacitatea inițială a bateriei. Adică de 5 ori mai multe cicluri decât studiile inițiale menționate mai devreme. 

“Intenționăm să producem primul produs comercial până în 2025 și să ajungem la o penetrare în masă până în 2030”, spune Chen. 

Totuși, cel puțin în primă fază, bateriile dezvoltate de Universitatea California vor fi dedicate în special sistemelor de stocare a energiei din uzine și, eventual, clădirilor rezidențiale, și abia apoi industriei auto. 

Dacă tehnologia va avea succes, fiecare casă va fi echipată cu sisteme de stocare a energiei pentru scăderea facturilor cu energia electrică, dar nu excludem dezvoltarea de baterii pentru industria auto.

Zheng Chen, inginer de nanotehnologie la Universitatea California

Drum bun! lung!

Acel “dacă” cu care domnul Chen și-a început afirmația anterioară nu este deloc întâmplător, indiferent cât de promițătoare pare tehnologia la care lucrează. 

Și asta pentru că, indiferent cât de optimist ești din fire, cred că ai înțeles că bateriile solid-state mai au un drum lung de parcurs pentru a înlocui acumulatorii Li-Ion. Cât de lung va fi acest drum? Ar fi stupid să-mi dau eu cu părerea, așa că mai bine îi las pe specialiști. 

Compania britanică de consultanță și analiză de date GlobalData a realizat un sondaj de opinie în care a întrebat reprezentanții a 467 de companii din întreaga lume implicate într-un fel sau altul în producția de baterii sau în industria auto când estimează o disponibilitate a bateriilor solid-state pe mașini electrice. Îndrăznesc să spun că este probabil cel mai complet sondaj din lume pe un astfel de subiect. 

Ei bine, doar 25% dintre companii anticipează că bateriile solid-state vor deveni o regulă în mai puțin de trei ani, în timp ce 33% au indicat un interval cuprins între 3 și 5 ani. Cele mai multe dintre companii, mai exact 42%, au indicat un termen de cel puțin 5 ani. Cel puțin.

Printre respondenți s-au aflat, desigur, și chinezii de la CATL. Iar aceștia oferă o perspectivă mai detaliată asupra problemei: prima generație de baterii solid-state ar putea apărea până în 2025 și ar ajunge la o cotă de piață de numai 1% până în 2030. Ulterior, a doua generație de baterii solid-state ar putea debuta după 2030, urmată de o a treia generație în 2035. Și abia acea a treia generație ar urma să fie suficient de bună și de ieftină pentru a câștiga o cotă de piață decentă. 

Prin urmare, dacă te gândești să aștepți primele baterii solid-state pentru a trece la o mașină electrică, ai face bine să te mulțumești cu Li-Ion și să faci deja o comandă, până nu renunță Guvernul la programul Rabla Plus. Mai ales că oferta este mai mult decât generoasă.