W internecie często potykamy się o komentarz, że postęp w technologii produkcji baterii jest znikomy. Ponoć od kilkudziesięciu lat dysponujemy praktycznie tym samym, a tylko markujemy, że coś robimy. To, że laptopy funkcjonują dziś kilkanaście godzin bez dostępu do gniazdka to rzekomo zasługa producentów elektroniki, a nie postępu w dziedzinie ogniw elektrycznych. Sprawdźmy, czy tak jest naprawdę.
Gęstość energii / pojemność baterii dawniej i dziś
Spis treści [pokaż]
Widoczne na górze zestawienie stworzone zostało przez NASA. Widać na nim gęstość grawimetryczną (skala pionowa, Wh/kg) oraz objętościową (skala pozioma, Wh/l) różnych rodzajów ogniw. Tak naprawdę nie ma większego znaczenia, o której ze skal będziemy mówić, dlatego dla wygody zajmijmy się tylko skalą grawimetryczną, czyli wskazującą na to, ile energii zapakujemy do ogniwa o danej masie.
Powyższy wykres opowiada właściwie całą historię, ale brakuje w nim jednej skali: czasu. Dołóżmy ją.
Akumulatory ołowiowe: od dawna do dziś, 20-50 procent
Lead Acid to klasyczne akumulatory kwasowo-ołowiowe. Stosowane są do dziś w celach rozruchowych, pojawiły się już w prototypowym samochodzie elektrycznym zaprezentowanym w Sondzie z roku 1978. Można w nich zgromadzić mniej niż 50 Wh energii na kilogram ogniwa (0,05 kWh/kg) – właśnie dlatego widoczny poniżej samochód ma długą skrzynię ładunkową, a mimo to na jednym ładowaniu przejeżdża ledwie około 100 km.
Polski Samochód Elektryczny zasilany ogniwami kwasowo-ołowiowymi, czyli klasycznymi akumulatorami (c) Sonda, 1978
Ogniwa NiCd: 40 lat temu, 0,05 kWh/kg, 100 procent
NiCd to ogniwa niklowo-kadmowe. Stosowane od kilku dekad w latach siedemdziesiątych oferowały około 50 Wh/kh (0,05 kWh/kg) i z czasem niewiele udało się nam zrobić z tą niewielką gęstością energii. Ogniwa te zostały już zresztą niemal zupełnie wycofane z rynku ze względu na zawartość kadmu, który jest wysoce toksycznym metalem.
Dla nas jest to punkt wyjścia do porównań, ponieważ ogniwa NiCd zapoczątkowały erę przenośnych akumulatorowych narzędzi, zabawek i urządzeń elektronicznych.
Ogniwa NiMH: 30 lat temu, 0,1 kWh/kg, 200 procent
NiMH to ogniwa niklowo-wodorkowe. Na rynku dostępne były od połowy lat osiemdziesiątych i to właśnie nimi posłużono się podczas konstrukcji słynnego GM EV1. Oferowały około 70-110 Wh/kg (0,07-0,11 kWh/kg) i nie zawierały toksycznego kadmu. W stosunku do ogniw niklowo-kadmowych zyskujemy więc +100 procent pojemności w ciągu 10-20 lat. Niestety, ogniwa NiMH były tak obiecujące, że koncerny motoryzacyjne i naftowe wykupiły patenty do nich, a następnie… zamknęły je w sejfie.
> WIDEO: Who killed the electric car („Kto zabił samochód elektryczny”) – WARTO OBEJRZEĆ!
Pierwsze ogniwa Li-ion/Li-Poly: 20 lat temu, 0,15 kWh/kg, 300 procent
W połowie lat dziewięćdziesiątych zaczęły pojawiać się pierwsze wariacje ogniw litowo-jonowych (polimerowych). Te, które bazowały na ditlenku kobaltu (LiCoO2) zaoferowały na starcie około 120 Wh/kg, by przebić 150 kWh pod koniec dekady. Oznaczało to wzrost o dobre 40 procent w stosunku do rozwijanych równolegle ogniw NiMH (patrz paragraf wcześniej).
Innymi słowy: od połowy lat siedemdziesiątych do końca lat dziewięćdziesiątych osiągamy TRZYKROTNY wzrost pojemności na jednostkę masy ogniwa.
Kolejne ogniwa Li-ion: 10 lat temu, 0,2 kWh/kg, 400 procent
Postęp w technologii produkcji ogniw oraz próby stosowania manganu pozwoliły nam na przebicie bariery 200 Wh/kg (0,2 kWh/kg) – czego nie widać już na wykresie. Czyli w ciągu trzydziestu lat zyskaliśmy 300 procent pojemności w tej samej jednostce masy. Najlepiej wypadają tutaj ogniwa litowo-polimerowe, czyli takie, w których cała zawartość elektrody zamknięta jest w polimerowym woreczku. Mają one pewne wady – wydzielający się podczas przeładowania gaz może doprowadzić do rozdęcia ogniwa – ale niska masa i wysoka gęstość jest kusząca.
Współczesne ogniwo litowo-polimerowe (c) LG Chem
Niestety, na tym etapie kończy się schemat przygotowany przez NASA.
Współczesne ogniwa Li-ion: DZIŚ, 0,25 kWh/kg, 500 procent
Na rynek trafiają właśnie pierwsze ogniwa NMC 811 (zawierające nikiel-mangan-kobalt w proporcji 8-1-1), które pozwalają na upakowanie do 250 Wh w każdym kilogramie ogniwa (0,25 kWh/kg). To pierwsza generacja tych ogniw, jeszcze z grafitową anodą. O kolejnej opowiemy za chwilę. Oprócz tego Tesla stosuje w Modelu 3 ogniwa 2170 (właściwie: 21700; te większe na zdjęciu poniżej). Osiągnięto w nich poziom około 0,22 kWh/kg, ale na poziomie całej baterii, a nie pojedynczych ogniw. Pojedyncze ogniwa oferują prawdopodobnie 0,25-0,3 kWh/kg.
> Ogniwa 2170 (21700) w bateriach Tesli 3 lepsze niż ogniwa NMC 811 _przyszłości_
Okres: przyszłość
Kolejna generacja ogniw NMC 811, z litową anodą, ma się pojawić na początku przyszłej dekady – i będzie produkowana również w polskich zakładach LG Chem. Wstępne wyliczenia mówią, że gęstość energii w ogniwach już na starcie powinna osiągnąć 0,3 kWh/kg i szybko będzie zmierzać w kierunku 0,4 kWh/kg.
To oznacza, że od momentu startu naszej wyliczanki osiągniemy 600 procent pojemności ogniw NiCd w jednostce masy, czyli SZEŚCIOKROTNY wzrost ilości energii, którą możemy zgromadzić w ogniwie.
> Gęstość energii w akumulatorach? Jak w czarnym prochu. A potrzebny jest DYNAMIT
Okres: dalsza przyszłość
Uważa się obecnie, że w przyszłej dekadzie zadebiutują na rynku baterie wyposażone w ogniwa ze stałym elektrolitem (ang. solid-state), w których na dzień dobry będziemy dysponowali gęstością 0,4 kWh/kg. Mają być bezpieczniejsze niż współczesne ogniwa z ciekłymi elektrolitami i pozwolą nam na co najmniej dwukrotne zwiększenie gęstości energii baterii w stosunku do pojazdów, które widzimy obecnie.
> Najszybciej ładujący się „elektryk”? Toyota w… 2022 roku
To oznacza, że dzisiejszy Nissan Leaf wyposażony w ogniwa przyszłości będzie mógł przejechać 480 zamiast 240 kilometrów na jednym ładowaniu. Jednocześnie rozmiar pojemnika na baterie i jej masa nie ulegnie szczególnej zmianie.
Nota od redakcji: w powyższym zestawieniu opisywaliśmy ogniwa elektryczne, a więc podstawowe jednostki budulcowe baterii. Ogniwo może, ale nie musi być baterią – bateria to zwykle zbiór ogniw zarządzanych przez dodatkowy mechanizm sterujący (BMS). Pisząc „teraz” mamy na myśli produkty, które właśnie trafiają na rynek. Ze zrozumiałych względów ogniwa w zastosowaniach motoryzacyjnych są spóźnione względem czasów obecnych o 1-3 lata.
