“Unii oameni consideră că sistemul chimic al bateriilor pentru mașini electrice nu va beneficia de inovații majore în viitor, ci doar de îmbunătățiri în structura fizică. Noi credem însă că în lumea electrochimiei există în continuare multe necunoscute pe care le vom descoperi”.

Robin Zeng, președinte Contemporary Amperex Technology (CATL), unul dintre principalii furnizori globali de baterii pentru mașini electrice. 

Nu știu dacă tu, cel care citești acum aceste rânduri, ești unul dintre cei care îmbrățișează mașinile electrice sau dacă, din contră, ești în liga celor care insistă că motoarele diesel și pe benzină sunt “mai bune”. 

Știu însă că mașinile electrice presupun o serie de provocări specifice unei industrii mai mult sau mai puțin incipiente în contextul global actual. De exemplu, știu că autonomia unei mașini electrice scade semnificativ la temperaturi foarte scăzute, astfel că un drum București – Brașov într-o zi de ianuarie cu temperaturi de -15 grade Celsius poate deveni o problemă.

Mai știu și că materia primă pentru baterii este în general rară și poluantă, ceea ce reprezintă, desigur, o problemă în contextul în care mașinile electrice sunt promovate tocmai datorită lipsei de emisii în timpul utilizării. 

Iar acestea sunt doar câteva dintre dezavantajele majore ale bateriilor Li-Ion, care stochează energia electrică pentru mașinile electrice disponibile în prezent pe piață, indiferent că vorbim despre Dacia Spring sau Porsche Taycan. 

Și totuși, așa cum ar spune probabil și domnul Zeng, citat mai sus, viața e plină de surprize. Iar rezolvarea acestor probleme ale bateriilor actuale ar putea veni de la un metal pe care îl avem cu toții în bucătărie sub o altă formă: sodiul. 

Ce este o baterie Sodiu-Ion și cum funcționează?

Producătorii auto încearcă să găsească diverse soluții pentru a extinde eficiența bateriilor Li-Ion pentru mașini electrice, însă în paralel lucrează la o serie de tehnologii alternative. Printre ele se numără și bateriile Sodiu-Ion, pe care le vei regăsi în literatura de specialitate sub numele de baterii NIB, acronim pentru Natrium-Ion Battery. 

Dacă ai lipsit la orele de chimie în școala generală, Natriu este numele în latină al elementului chimic Sodiu, iar prescurtarea acestuia este Na. Intuiesc că ești mult mai familiar cu acest Na, întrucât îl găsești sub forma NaCl pe unele pungi de sare ale unor producători “elevați” care preferă să inscripționeze numele științific al sării (NaCl – clorură de sodiu).

Gata. Promit că închei aici incursiunea culinară în sarea de mare (care-i diferită totuși de sărea de masă) și revin la oile noastre. Bateriile Sodiu-Ion la care lucrează în prezent unii producători sunt foarte asemănătoare conceptual cu bateriile Li-Ion. Construcția celulelor și principiul de funcționare sunt similare, cu marea diferență că, în locul componentelor de litiu, sunt folosite componente de sodiu.

Așa cum mașinile electrice au fost inventate de fapt la începutul secolului XX, și bateriile Sodiu-Ion sunt dezvoltate de mult timp. Mai exact, încă din anii ‘70. Totuși, în contextul revoluției reprezentate de telefoanele mobile, în preajma anilor ‘90 acumulatorii Li-Ion au fost în cele din urmă preferații industriei, motiv pentru care peste tehnologia Sodiu-Ion s-a așternut praful. 

Iată însă că, de câțiva ani, cercetătorii au adus numeroase cârpe de praf pentru a readuce la suprafață studiile realizate în perioada respectivă și pentru a le cupla cu noile tehnologii disponibile pentru a dezvolta o baterie Sodiu-Ion. Motivele? Creșterea puternică a cererii pentru Litiu și alte materiale rare, care riscă să crească prețurile bateriilor, mai ales că materia primă este disponibilă în special în țări mai degrabă greu de accesat.

Pentru moment, tehnologia Sodiu-Ion este inexistentă pe mașinile electrice, iar cota de piață pe segmentul bateriilor de mare capacitate utilizate la nivel industrial este practic nesemnificativă. Și nu spun asta fără să fiu acoperit de cifre. Raportul “Battery Storage in the United States: An Update on Market Trends” realizat de Departamentul de Energie al SUA este elocvent: doar 2% din capacitățile de stocare de mare capacitate din SUA au la bază tehnologia Sodiu-Ion, în timp ce tehnologia Li-Ion este lider detașat cu o cotă de piață de peste 90%. 

Care sunt avantajele bateriilor Sodiu-Ion?

Aflate încă într-un stadiu relativ incipient de dezvoltare, bateriile Sodiu-Ion prezintă o serie de avantaje competitive comparativ cu clasicii acumulator Li-Ion. Hai să le luăm pe rând: 

1. Sodiul este abundent pe Pământ

Probabil cel mai important argument în favoarea bateriilor Sodiu-Ion este abundența sodiului pe plan global. De altfel, sodiul este al șaselea cel mai abundent element de pe Pământ. Ca urmare a reactivității sale puternice, nu este disponibil în forma sa pură, ci numai în compuși precum clorura de sodiu (NaCl). Sodiul este apoi obținut din clorura de sodiu printr-un proces numit electroliză. 

Cât de abundentă este sarea noastră cea de toate zilele? Ei bine, doar România are zăcăminte de peste 12 miliarde de tone de sare, suficientă pentru asigurarea necesarului de sare al populației pentru câteva sute de ani (sau chiar o mie de ani, depinde pe cine întrebi). De altfel, România exploatează în prezent undeva la 2 milioane de tone de sare anual, comparativ cu cele peste 50 de milioane de tone de sare pe care le exploatează, de exemplu, Germania. 

Și dacă asta nu este suficient, oamenii de știință au descoperit clorură de sodiu inclusiv pe Europa. Nu pe continentul Europa, ci pe unul dintre sateliții naturali ai planetei Jupiter. 

În schimb, bateriile Li-Ion au nevoie, evident, de litiu, dar și numeroase alte materii prime precum cobalt, cupru sau cadmiu, precum și pământuri rare, iar acestea sunt localizate mult mai puțin egal la nivelul globului. De exemplu, peste 50% din rezervele globale de litiu se află în Argentina, Bolivia și Chile (un articol excelent despre provocările constructorilor de a-și asigura litiu pentru baterii din Bolivia poți citi aici). Între timp, Congo deține 64% din rezervele mondiale de cobalt, iar Africa de Sud își trece în cont 70% din rezervele mondiale de iridiu și paladiu. 

Cât despre metalele rare, China deține în prezent circa 37% din rezervele globale, Brazilia și Vietnam câte 18%, iar Rusia circa 10%. Da, asta înseamnă că aceste 4 țări au împreună 83% din rezervele gloale de pământuri rare. 

Pentru o comparație mai clară, putem folosi o așa-numită pseudo-unitate de măsură, și anume părți-per-milion. În acest caz lucrurile devin foarte clare: sodiul are o abundență în sol de 23600 de părți per milion, în timp ce Litiul ajunge la numai 20 de părți per milion. 

Ce înseamnă concret toate aceste lucruri? Teoretic, o abundență mai mare a sodiului se traduce printr-un preț mai mic de comercializare comparativ cu litiul, cobaltul sau pământurile rare (dacă cererea este aceeași), ceea ce înseamnă costuri de producție mai mici pentru bateriile Sodiu-Ion comparativ cu costurile de dezvoltare pentru acumulatorii Li-Ion. 

2. Temperatura optimă de funcționare este mai variată

Bateriile Sodiu-Ion funcționează în parametri optimi inclusiv la temperaturi scăzute. Cât de scăzute? Datele obținute de Faradion, una dintre numerosele companii care dezvoltă astfel de baterii, arată că o baterie Sodiu-Ion funcționează optim la temepraturi cuprinse între -20 de grade și 60 de grade. 

Diferența comparativ cu mașinile electrice care folosesc baterii Li-Ion este semnificativă. Studiile au arătat că temperatura optimă pentru acumulatorii Li-Ion este cuprinsă între 15 și 35 de grade, chiar dacă se consideră că operarea între -20 grade și 60 grade este acceptabilă. 

În practică, asta înseamnă că o baterie Sodiu-Ion îți va oferi pe timp de iarnă o autonomie similară cu cea din timpul verii, în condiții identice de condus, în timp ce în cazul bateriei clasice Li-Ion trebuie să te aștepți la scăderi mai mult sau mai puțin importante de autonomie. 

3. Eficiență energetică sensibil mai mare

În ceea ce privește eficiența energetică, studiile preliminare realizate de compania Fradion au indicat o posibilă superioritate. Astfel, bateriile Sodiu-Ion au o eficență energetică de 92%, comparativ cu eficiența energetică de 85-95% a bateriilor Li-Ion. 

Avantajul principal în acest caz este dat de stabilitatea mai bună a acumulatorilor Sodiu-Ion din punct de vedere al eficienței energetice, comparativ cu acumulatorii Li-Ion, în contextul în care Asociația Europeană pentru Stocarea Energiei și Alianța Europeană pentru Cercetare în Energie propune o eficiență de cel puțin 90% pentru bateriile staționare de mare capacitate începând din anul 2030. 

4. Siguranță mai mare

Bateriile Sodiu-Ion oferă o siguranță mai mare în utilizarea obișnuită, comparativ cu bateriile Li-Ion, care conțin electroliți inflamabili. În anumite situații, în special atunci când bateria se încarcă la parametri necorespunzători, pot apărea scurt-circuite care să conducă la explozii și, rareori, chiar la incendii. 

De altfel, ai citit probabil ocazional știri despre incidente în care mașinile electrice au luat foc din cauza supraîncălzirii bateriilor sau despre recall-uri anunțate de producători din cauza unor probleme la construcția celulelor bateriilor Li-Ion, așa cum a fost cazul intens-popularizat al modelului Hyundai Kona Electric. 

Care sunt dezavantajele bateriilor Sodiu-Ion?

Pe lângă avantajele mai sus menționate, bateriile Sodiu-Ion prezintă și câteva dezavantaje care, cel puțin pentru moment, par să favorizeze în continuare clasicele baterii Li-Ion. 

1. Densitate de energie scăzută

Densitatea energiei stocate raportată la masa bateriei sau la volumul bateriei joacă un rol important în industria auto, iar explicația este cât se poate de simplă: cu cât densitatea de energie este mai mare, cu atât masa și volumul bateriei vor fi mai mici, astfel că producătorii pot introduce baterii mai mici și mai ușoare pe mașini cu un impact mai scăzut asupra masei totale a mașinii și, implicit, a consumului de energie electrică. 

În funcție de diverse tehnologii, actualele baterii Li-Ion oferă în general o densitate cuprinsă între 120 – 260 Wh/kg și un volum de 200 – 683 Wh/L. Este important însă de menționat că producătorii găsesc diverse soluții pentru îmbunătățirea ușoară, dar constantă, a densității de energie. Între timp, prototipurile de baterii Sodiu-Ion dezvoltate până în prezent oferă o densitate de energie de 75 – 150 Wh/kg și, respectiv, 250 – 375 Wh/L. 

Ce înseamnă asta concret? Hai să vedem prin intermediul unui exemplu. Să luăm ca punct de reper Volkswagen ID.3, unul dintre cele mai vândute modele electrice în Europa în acest moment, în versiunea cu baterie de 55 kWh. Aceasta baterie Li-Ion are o masă de 206 kilograme, deci o densitate de aproximativ 0.27 kWh/kg. Mai precis, 270 Wh/kg.

În cazul bateriei Sodiu-Ion, dacă luăm în considerare scenariul optimist al prototipurilor actuale, cu o densitate de energie de 150 Wh/kg, atunci bateria de 55 kWh a lui ID.3 ar fi cântărit 367 de kilograme. Diferența de 161 de kilograme este semnificativă și echivalează cu o masă totală a bateriei cu 78% mai mare. 

2. Număr mai mic de cicluri de încărcare-descărcare

Un alt element important al unei baterii este numărul de cicluri de încărcare-descărcare pe care le permite cu păstrarea parametrilor optimi de funcționare. Potrivit raportului “Storage Cost and Performance Characterization” realizat în Statele Unite în 2019, o baterie Li-Ion oferă aproximativ 3500 de cicluri de încărcare-descărcare în intervalul 0% – 80%. 

Același raport menționează că bateriile Sodiu-Ion promit 4000 de cicluri de încărcare-descărcare. Cu toate acestea, oficialii Faradion explică faptul că, deși în principiu bateriile Sodiu-Ion pot atinge “câteva mii de cicluri de încărcare-descărcare”, numărul acestora poate varia puternic de la “câteva sute la câteva mii, în funcție de gradul de descărcare și de condițiile de încărcare/descărcare”. 

Prin urmare, până la lansarea unor baterii Sodiu-Ion comerciale pe care să poată fi efectuate teste amănunțite, putem pleca de la premisa că bateriile Sodiu-Ion ar putea avea un număr de cicluri de încărcare-descărcare mai mic decât în cazul acumulatorilor Li-Ion. 

CATL: baterii Sodiu-Ion din 2023

În tot acest “univers” al bateriilor Sodiu-Ion, producătorul chinez CATL a oferit recent o serie de detalii tehnice despre prima sa generație de baterii Sodiu-Ion. Înainte de a intra în amănunte este însă important să înțelegem rolul CATL în industria auto globală. 

Pe numele său complet Contemporary Amperex Technology, CATL este unul dintre cei mai mari producători de baterii pentru mașini electrice din lume. În prezent, CATL furnizează baterii pentru o largă varietate de constructori auto, printre care putem menționa Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo, Toyota sau Honda. CATL are uzine în China, însă în urmă cu doi ani a început construcția unei fabrici de baterii în Germania, care va deveni operațională în 2022. 

Oficialii CATL au anunțat recent că sunt pe punctul de a lansa comercial prima generație de baterii Sodiu-Ion. Inginerii companiei susțin că au introdus noi materiale și au rearanjat electronii catodului, în timp ce în cazul anodului au adoptat un material din carbon cu o structură mai poroasă. În acest mod, CATL susține că a rezolvat una dintre principalele probleme în dezvoltarea bateriilor Sodiu-Ion, și anume volumul mai mare al ionilor de sodiu și cerințele mai înalte în privința stabilității structurale și a proprietăților cinetice ale materialelor. 

Pe baza acestor îmbunătățiri, CATL oferă o mostră autentică de PR și afirmă că prima sa generație de baterii Sodiu-Ion are ca avantaje, printre altele, “o densitate mare de energie, încărcare rapidă, stabilitate termică excelentă și performanță înăltă la temperaturi scăzute”. Îi iert însă pentru aceste laude de sine pentru că inginerii și-au făcut totuși datoria și ne oferă și câteva cifre concrete: densitatea de energie ajunge până la 160 Wh/kg, iar bateria se încarcă până la 80% în numai 15 minute la o temperatură ambientală obișnuită. De asemenea, la temperaturi de -20 de grade Celsius, bateria reține 90% din capacitatea nominală. 

Așa cum probabil observi, densitatea energiei rămâne una dintre probleme: 160 Wh/kg (îâi reamintesc faptul că Volkswagen ID3 are o baterie Li-Ion cu densitate de 270 Wh/kg). Vestea bună este că, în același comunicat de presă, CATL menționează că “și-a stabilit ca obiectiv ca densitatea de energie a următoarei generații de baterii Sodiu-Ion să depășească 200 Wh/kg”. Mai aproape de bateriile Li-Ion, dar tot în urma lor. 

CATL menționează că a început deja producția industrială de baterii Sodiu-Ion, însă primul lanț complet de furnizare va fi gata abia în 2023, atunci când anticipează că vor intra în vigoare primele contracte pentru furnizarea de astfel de baterii. 

Este însă important să menționez că prima generație de baterii Sodiu-Ion va fi utilizată în special în domeniul industrial pentru stocarea unor cantități mari de energie electrică, preponderent în zone cu temperaturi foarte scăzute. Miza este ca tehnologia să ajungă și pe mașinile electrice, dar este prematur să știm câți ani vor mai trece până atunci. 

De asemenea, inginerii CATL s-au gândit inclusiv la o metodă prin care să combine avantajele bateriilor Sodiu-Ion cu avantajele acumulatorilor Li-Ion. Ce spui de baterii Sodiu-Ion și baterii Li-Ion integrate într-un singur sistem într-o anumită proporție pentru a combina utilizarea la temperaturi scăzute ale bateriilor Sodiu-Ion cu densitatea de energie mai mare a bateriilor Li-Ion? CATL promite că va dezvolta astfel de sisteme pentru zona industrială. 

Alte opțiuni pentru baterii

1. Baterii Solid-State

Sodiu-Ion este doar una dintre alternativele cercetate în prezent pe piața bateriilor pentru mașini electrice. De altfel, intuiesc că, înainte să citești articolul ăsta, ai auzit deja din alte părți de bateriile solid-state. Acestea folosesc electrozi solizi și un electrolit solid în locul electroliților lichizi din bateriile Li-Ion.  

Pe baza acestui tip de construcție, bateriile solid-state se încarcă mai repede (doar 10 minute), oferă o autonomie mai ridicată (pe la minim 800 de kilometri) și au o densitate de energie mai mare comparativ cu bateriile Li-Ion (deci bateriile vor fi mai ușoare). Și atunci, de ce nu sunt încă pe piață? Deoarece costurile de producție sunt foarte ridicate, iar numărul de cicluri de încărcare-descărcare este foarte scăzut. 

Toyota susține că va începe producția limitată de astfel de baterii în preajma anului 2025, chiar dacă pentru moment nu a găsit o soluție concretă pentru prelungirea duratei de viață a bateriilor. Salvarea ar putea veni de la Samsung, care susține că a identificat o metodă pentru ca bateriile solid-state să aibă cel puțin 1000 de cicluri de încărcare-descărcare. Sud-coreenii menționează însă că vor avea nevoie de “ani” pentru a introduce o astfel de baterie în producție de serie. 

2. Baterii Aluminiu-Ion

Între timp, o companie australiană susține că adevărata alternativă la bateriile Li-Ion este reprezentată, de fapt, de bateriile Aluminiu-Ion. Astfel de baterii sunt în plin stadiu de dezvoltare în întreaga lume, inclusiv la Universitatea Stanford, însă băieții de la Graphene Manufacturing Group (GMG) afirmă că au identificat rețeta succesului pe baza studiilor realizate de Institutul Australian pentru Bioinginerie și Nanotehnologie de la Universitatea din Queensland. 

Concret, o astfel de baterie folosește nanotehnologie pentru a introduce atomi de aluminiu în plăcile de grafen ale celulelor bateriei. Testele desfășurate până în prezent sugerează că o baterie Aluminiu-Ion se încarcă de 60 de ori mai rapid decât una Li-Ion și oferă o densitate de energie net superioară. Una dintre explicații pentru densitatea de energie mai mare este controlul mult mai bun al temperaturii, în contextul în care aproximativ 20% din masa unei baterii Li-Ion provine de la sistemul care asigură răcirea acumulatorului. “Circa 80 de kilograme dintr-o baterie de 100 kWh înseamnă circuite pentru răcire”, explică Craig Nicol, directrul executiv al GMG. 

Controlul mult mai bun al temperaturilor are ca avantaj și eliminarea problemelor cu supra-încălzirea bateriei, o problemă destul de frecventă în cazul acumulatorilor Li-Ion. 

Aluminiul reprezintă 1.59% din masa Pământului și este întâlnit frecvent în natură, în special sub formă de oxizi și silicați. În industrie, aluminiul se produce preponderent din bauxită, o rocă sedimentară cu o concentrație puternică de aluminiu care se găsește în special în Australia, China, Guinea și India. Aluminiul se folosește cel mai mult în industria aviatică. 

GMG susține că va lansa primele celule de baterii Aluminiu-Ion de forma unei monede spre sfârșitul acestui an sau începutul anului viitor, însă primele baterii pentru mașini electrice sunt așteptate undeva în preajma anului 2024.  

Rămâne însă de văzut dacă datele promițătoare din testele de laborator vor fi convertite în rezultate similare și în utilizarea reală.

3. Baterii pe zinc și Sodiu-Metal Halide

Există și alte tipuri de baterii analizate de cercetători în prezent, însă cele mai multe dintre ele vizează în special sectorul industrial, care are nevoie de baterii de mare capacitate. Pe listă figurează bateriile bazate pe zinc, care prezintă ca avantaje costurile mici de producție și o variație mare de temperatură suportată. 

De asemenea, sodiul de care am tot pomenit în acest articol este folosit și pentru bateriile Na-MH (Sodium-Metal Halide, a nu se confunda cu vechile baterii Ni-MH din telefoanele mobile de la sfârșitul anilor ‘90), iar acestea au de asemenea că avantaje costurile mici de producție și utilizarea la temperaturi de sub 200 de grade Celsius. 

Concluzii

Cercetările pentru dezvoltarea de noi tehnologii pentru bateriile mașinilor electrice vin (și) în contextul în care presiunile pentru renunțarea graduală la combustibili fosili sunt tot mai mari. 

Uniunea Europeană a anunțat deja un proiect care prevede interzicerea vânzărilor de mașini diesel și pe benzină începând din 2035, în timp ce Statele Unite și-au propus ca, până în 2030, 50% din vânzări să fie reprezentate de mașini electrice și plug-in hybrid. Chiar dacă această țintă nu are valoare juridică, propunerea a fost rapid “îmbrățișată” de General Motors, Stellantis, Ford, Volkswagen, BMW, Honda sau Volvo, care oricum au planuri concrete în această direcție.  

Mai simplu spus, în cuvintele celor de la CATL, “neutralitatea emisiilor de carbon a devenit un consens global, astfel că industria a intrat într-un stadiu de dezvoltare complex și diversificat. Cercetările din lumea întreagă și dezvoltarea de noi materiale de bază pentru baterii accelerează, ceea ce deschide o fereastră pentru bateriile Sodiu-Ion”. 

Practic, cronometrul a fost pornit. Pare doar o chestiune de timp până când la configurarea noii tale mașini vei avea de ales, printre multe altele, și ce tehnologie să fie utilizată pentru baterie. Ce zici, să fie Li-Ion sau Sodiu-Ion?