Tehnologija baterija 1. dio – Struja trendova

Što će sve moći baterije u električnim automobilima, koje nove tehnologije ćemo uskoro upoznati? Na ova i slična pitanja odgovorit ćemo u serijalu posvećenom baterijama. Prvi dio - pet velikih trendova u bliskoj budućnosti

Skromnost nije CATL-ova vrlina – kineski gigant uvijek s posebnim entuzijazmom predstavlja nove, čudesne tehnologije baterija. Najnovija od njih je ‘Shenxing’, a CATL obećava nove standarde u brzini punjenja – 10 minuta trebalo bi biti dovoljno za doseg od oko 350 kilometara. Nova baterija trebala bi krenuti u serijsku proizvodnju još ove godine. Tako je barem planirano.

Trend 1 – LFP će zamijeniti NMC

Ostaje za vidjeti hoće li se obećanja doista i ispuniti, no sasvim je sigurno da CATL otvara novo poglavlje u tehnologiji baterijskih članaka tipa LFP (litij-ferofosfat). LFP-baterije su u međuvremenu već postale ozbiljna konkurencija prethodno dominantnim NMC-baterijama (nikl, mangan, kobalt). U Kini su ih već prestigle mjereno prema broju proizvedenih domaćih automobila, a VW i Mercedes ih uskoro žele koristiti u svojim manjim modelima. LFP-baterije imaju velike prednosti, ali i veliki nedostatak – njihov niži napon rezultira i slabijom gustoćom energije. I pune se sporije, poglavito po hladnome vremenu.

CATL upravo ove probleme želi riješiti ‘paketom’ poboljšanja u kojima glavnu ulogu ima dorađeni katodni materijal. Kinezi zasad ne iznose nikakve detalje, no ako je njihova baterija zaista tako dobra kao što govore, to bi moglo dodatno ugroziti trenutačnu poziciju NMC-baterija. Njihova proizvodnja je oko 20 posto skuplja od LFP-baterija jer se teški metali za njihovu katodu moraju iskopavati i potom prerađivati uz velike troškove.

U NFC-svijetu trend se odmiče od kobalta čije se iskopavanje smatra iznimno štetnim za okoliš. U novim Teslinim okruglim baterijskim člancima tipa 4680 postoji samo jedan dio kobalta i mangana na svakih osam dijelova nikla. U Tesli su općenito otvoreni kada je u pitanju kemija – imaju i NCA-članke s udjelom aluminija, ali i LFP-članke. I jako su zainteresirani za LMFP-tehnologiju – u ovoj novoj evolucijskoj fazi LFP-a, mangan u katodi zamjenjuje dio željeza. Gotion, još jedan proizvođač baterijskih članaka iz Kine te ujedno partner VW-a, želi od iduće godine proizvoditi LMFP-baterije visoke gustoće energije.

Trend 2 – okrugli baterijski članci

Tesla nije bio samo vizionar e-mobilnosti, već i pionir u kreiranju formata baterijskih članaka. Okrugli članci iz Kalifornije su mehanički stabilni, a njihova gustoća energije je visoka (što se također odnosi i na zahtjeve vezane uz hlađenje). Međutim, njihova najveća snaga je proces proizvodnje namotavanjem. Dugačka elektrodna traka se, naime, namotava znatno učinkovitije no što se proizvode čvrsti prizmatični članci i fleksibilne ‘vrećice’.

Neki veliki proizvođači baterija uskoro prelaze na okrugle članke, uključujući BMW, General Motors i Nio. Proizvodnju preuzimaju giganti u svijetu baterija poput BYD-a, CATL-a, EVE-a, LGS-a, Panasonica i Samsunga. Promjer novih baterijskih članaka temeljit će se na standardu 4680 (46 mm), dok ograničenje visine iznosi 120 mm. Iako visoki baterijski članci pohranjuju mnogo energije, prikladni su samo za SUV-e. BYD pak ima poseban pristup – odabrao je heksagonalne članke koji se mogu grupirati u saće.

Trend 3 – kraj za kućišta baterije

Baterije njemačkih proizvođača obično imaju modularnu strukturu – u velikom kućištu se nalaze manji moduli u kojima je nekoliko baterijskih članaka. Ovaj koncept jamči krutost i sigurnost, ali smanjuje energetsku gustoću cijelog sustava, ujedno i zbog svih kabela i kontrolera.

U Kini je industrija napredovala jedan ili čak dva koraka dalje. S konceptom ‘Cell-to-Pack’, koji trenutačno provode CATL i BYD, baterijski članci se – bez obzira na format – nalaze izravno u kućištu.

Povećanje prostora za aktivni materijal ujedno povećava doseg e-automobila za 15 do 20 posto, procjenjuje profesor Maximilian Fichtner, stručnjak za baterije na Sveučilištu Ulm. Alternativno, ‘Cell-to-Pack’ se ugradnjom jeftinijih članaka – uz zadržavanje iste gustoće energije – može koristiti za smanjenje troškova proizvodnje.

Idući razvojni korak baterija je u Kini već stvarnost. Limuzina C 01 iz Leapmotora i Seal iz BYD-a su otišli toliko daleko da uopće nemaju kućište baterije. Baterijski članci su integrirani u strukturu vozila i nalaze se u podu. Taj se koncept naziva ‘Cell-to-Chassis’ (ili ‘Cell-to-Body’), a to je put kojim će BMW uskoro voziti svojom ‘Novom klasom’. Dakako, uz sve ostale inovacije. Veliki interes za ovom arhitekturom vozila pokazuje i VW.

Trend 4 – optimum upravljanja toplinom

Trenutačno postoje dva sustava za hlađenje i grijanje baterije: neizravni, preko ploča za prijenos tekućine ili – nešto snažniji – s tzv. rashladnim spiralama u prostoru članaka. Glavni zadatak upravljanja toplinom je održavanje baterije u ugodnom rasponu od 15 do 30 stupnjeva Celzijusa. Jer baterija je kao takva vrlo nezgodna. Na niskim temperaturama ju je potrebno zagrijati prije brzog punjenja, a tijekom punjenja je pak treba hladiti. To se također odnosi i na vožnju po toplijem vremenu, čak i pri brzini od 130 km/h. Kako bi minimizirali ovaj utrošak energije, proizvođači poput Tesle nastoje stalno povećavati maksimalnu dopuštenu temperaturu baterije. Dobar termalni menadžment ne funkcionira samo s najvećom učinkovitošću, već ujedno mora biti dinamičan i svestran. Osim baterije, mora se voditi računa i o elektromotoru, mjenjaču, upravljačkoj elektronici te unutrašnjosti automobila. Kao i različitim temperaturama koje ondje vladaju.

Zaključak

Kada će se pojaviti jednostavna baterija za jeftine električne automobile? Je li solid-state baterija konkretan cilj ili samo vizija? Kako se pritom izvući iz visokog troška dobivanja sirovina? Odgovori slijede u sljedećem broju auto motor i sporta.