Milijon milj?

Novic o prebojnih odkritjih tem na področju je toliko, da o večini sploh ne poročamo. Razlog je preprost. Dasi so resnične, dosežki pomembni in objavljeni v člankih v uglednih znanstvenih revijah, do komercializacije pretečejo še leta, včasih desetletja. Več pozornosti pa je požela najava Elona Muska, da so nove baterije, ki bodo električnim avtomobilom življenjsko dobo podaljšale na dva milijona kilometrov, nared. Tu in zdaj.

Kdor je že vozil električni avtomobil, bo pohvalil tihost in predvsem enakomerno obnašanje vozila, saj imajo elektromotorji konstanten navor, torej dobro »vlečejo« že spočetka. Žal pa je trenutno prav vir energije težko nositi s seboj, saj so baterije sorazmerno težke (imajo majhno energijsko gostoto), predvsem pa velike, nizkokapacitetne in nagnjene k staranju. Domet med 200 in 300 kilometri je za večino primerov dovolj, počasno polnjenje in omejeno število ciklov polnjenja baterije pa (še) ne. Te tri karakteristike so (bile do zdaj) izključujoče – večja kapaciteta je pomenila hitrejše staranje ipd.

Contemporary Amperex Technology (CATL) je v širši javnosti manj znano kitajsko podjetje, ki pa je eden najpomembnejših dobaviteljev baterij za avtomobile. Za Panasonicom in BYD je tretji največji proizvajalec baterij za električna vozila. Sodeluje s Teslo pa tudi s Volkswagnom, z BMW, Daimlerjem, s Hondo, Toyoto in z Volvom. Prejšnji mesec je njihov direktor Zeng Yuqun v intervjuju za Bloomberg dejal, da so dokončali razvoj baterijskega paketa, ki bo električnim avtomobilom omogočal življenjsko dobo skoraj dveh milijonov kilometrov brez menjave baterij. To ni le desetkrat več od najboljših ponudb ta hip, temveč CATL tudi trdi, da je tehnologija na voljo tu in zdaj. Elon Musk, izvršni direktor Tesle, je takšne baterije obljubil že lanskega aprila.

Zakaj je to pomembno?

Današnji električni avtomobili imajo garancijo na baterijski paket, ki je omejena s starostjo in številom prevoženih kilometrov. Nissan, na primer, jamči osem let ali 160.000 kilometrov. Bistveno več ne ponuja noben proizvajalec. Druga možnost, ki jo je ubral Renault, je najem baterije, torej bomo ob iztrošenosti prejeli novo, izraba pa ni naš problem.

Baterijski paket v Nissan Leafu. Slika: Mario R Duran Ortiz (CC BY-SA 3.0).

Milijon milj ali kilometrov se sliši ogromno, a za golim marketingom se skriva strateški razmislek. Redkokdo bo vozil isti avtomobil milijon kilometrov, a to ni niti cilj niti problem. Ena izmed možnosti je, da postane baterija prenosni del avtomobila, ki ga lahko obdržimo ob menjavi za novejši model, če bodo baterijski paketi standardizirani. Milijon kilometrov v svojem življenju prevozi večina rednih voznikov. Še privlačnejša pa je druga možnost. Tesla želi postati ponudnik električne energije, kot sta Pacific Gas & Electric in Tokyo Electric Power ali ne nazadnje slovenski HSE. Vir bi bili električni avtomobili – delujoči ali odsluženi. Ker je na svetu več kot milijon tesel, to sploh ni nemogoče.

Tesla pravi, da bodo nove baterije CATL najprej ponudili na Kitajskem, kasneje pa v vozilih tudi drugod. Ključna novost bo manjša vsebnost ali popolna odsotnost kobalta, ki v današnjih litij-ionskih baterijah predstavlja enega večjih stroškov in zaradi umazanega pridobivanja tudi okoljskih bremen (Litijevi umazani pomočniki, Monitor 07-08/16).

4000 praznjenj z 10-odstotno izgubo zmogljivosti predstavlja precejšen napredek. Pomislimo, leta 2014 so bile vrh razvoja baterije, ki so že v 1000 ciklih izgubile kar 50 odstotkov kapacitete.

Trenutno Tesla sama proizvaja nikelj-kobalt-aluminijeve baterije (NCA), pri čemer sodeluje s Panasonicom, medtem ko nikelj-mangan-kobaltove (NMC) baterije kupuje od LG Chema. Nove baterije, ki jih je razvil CATL, so še vedno NMC, a uporabljajo katodo iz 50 odstotkov niklja in le 20 odstotkov kobalta, kar je velik korak k brezkobaltskim baterijam. Naslednja generacija baterij iz CATL pa bo že takšna, in sicer bodo to litij-železo-fosfatne baterije.

Pri nobeni izmed teh vrst baterij ne gre za revolucionarno novost, saj so pisani kemizmi znani in se v praksi že uporabljajo. Pri razvoju baterij so spremembe bolj inženirske: malenkostne spremembe v sestavi elektrod, izvedba celic in zlaganje v baterije itd. Staranje je posledica stranskih reakcij, ki potekajo ob ciklih praznjenja in polnjenja ter načenjajo strukturo, zaradi česar se kapaciteta baterije (torej tako količina uskladiščenega naboja kakor napetost) manjša, notranji upor pa naraste. Uvedba aditivov in spremembe dizajna ali režimov delovanja, ki te stranske reakcije in staranje upočasnijo, so zato včasih še pomembnejše od odkrivanja novih kemizmov.

Tesla in CATL na tem področju močno sodelujeta z manj znano univerzo Dalhousie v Halifaxu, kjer laboratorij za baterije že poltretje desetletje vodi Jeff Dahn. Kot eden izmed vodilnih strokovnjakov za razvoj litij-ionskih baterij za električne avtomobile že od leta 2012 sodeluje s Teslo, zadnjih pet let pa ekskluzivno. Prav v tem laboratoriju so naredili ključne raziskave za večjo odpornost baterij pri hitrem praznjenju in polnjenju, ki sta ključna dejavnika pri staranju.

Kaj je novega

Ne Musk in ne Yuqun nista bila v svojih napovedi konkretna, kako bodo podaljšali življenjsko dobo baterij. Lahko pa marsikaj ugotovimo, če izbrskamo znanstveni članek (A Wide Range of Testing Results on an Excellent Lithium-Ion CellChemistry to be used as Benchmarks for New Battery Technologies, Journal of The Electrochemical Society,166 (13), 2019) in patent (US20190280334), ki opisujeta to novost. Prvi je bil objavljen septembra lani, drugi pa prijavljen avgusta 2018 in podeljen septembra lani.

V članku so Dahn in sodelavci pokazali, da je mogoče izdelati litij-ionsko baterijo, ki tudi po 4.000 praznjenjih izgubi le 10 odstotkov kapacitete. Če z enim polnjenjem prevozimo 500 kilometrov, pa to že pomeni dva milijona kilometrov. Ključne sestavine so litijeva sol (litijevi ioni so nosilci naboja v bateriji), brezvodno topilo (to dvoje je standard) ter dve novosti: vinilen karbonat, LiPO2F2 ali fluoroetilen karbonat in ODTO (1,2,6-oksoditian, 2,2,6,6-tetraoksid). Omenjena aditiva sta bistvena za podaljšanje življenjske dobe. Iz patenta seveda niso razvidne točne koncentracije ali razmerja med aditivi, ker je to pač skrivnost, temveč zgolj široki razponi (npr. od 0,25 do 6,0 odstotkov). Elektrolit je etilen karbonat, etil metil karbonat, metil acetat, propilen karbonat, dimetil karbonat, dietil karbonat ali kateri drug karbonat. Pozitivna elektroda je iz niklja, mangana in kobaltovega oksida (NMC), prevlečena z aluminijevim ali s titanovim oksidom, negativna elektroda pa je iz grafita.

Patent je pač napisan, kakor so ti napisani. Dovolj konkretno, da je z njim mogoče poloviti vse, ki bi želeli kopirati podoben dizajn, in hkrati dovolj splošno, da samo iz patenta ni mogoče enostavno poustvariti baterije. Patentirane so namreč različne možnosti, med katerimi seveda večina ni vrhunskih. A vseeno, 4.000 praznjenj z 10-odstotno izgubo predstavlja precejšen napredek. Pomislimo, leta 2014 so bile vrh razvoja baterije, ki so v 1.000 ciklih izgubile 50 odstotkov kapacitete.

Cena?

Tehnične karakteristike so lepe in pomembne, a v ekonomiji obsega vse stoji ali pade s ceno. Dokler bodo avtomobilske baterije stale več kot 100 dolarjev za kilovatno uro, bodo avtomobili z motorji na notranje izgorevanje prednjačili. Nove baterije NMC podjetja CATL z manj kobalta stanejo približno 10 odstotkov več od baterij, ki se vgrajujejo danes. V podjetju verjamejo, da bosta večja kapaciteta in daljša življenjska doba odtehtali to podražitev. S Teslo so februarja podpisali dveletno pogodbo o dobavi baterij, ki bodo šle v Model 3, ki se bo proizvajal v Šenženu.

Nove litij-železo-fosfatne pa bodo dosegle ceno 60 dolarjev na kilovatno uro, s čimer bodo resna konkurenca klasičnim vozilom. Za primerjavo: Tesla S ima po novem baterijo s kapaciteto 100 kWh, Tesla 3 pa največ 75 kWh. Ostali električni avtomobili so približno v rangu 40–80 kWh. Če večja baterija stane 10.000 dolarjev, je to na zgornji meji sprejemljivega. Vsaka pocenitev pa bo imela pomemben vpliv na povečanje popularnosti in večjo porabo, saj so baterije najdražji del električnih avtomobilov.

Vizija

Elon Musk je bil vedno vizionar. Njegove zamisli so visokoleteče. Električni avtomobili, ki imajo domet več sto kilometrov, in baterije, ki zdržijo 20 let, so velik dosežek in verjetno prihodnost. Baterije zanje bi v prihodnosti radi proizvajali tudi v novi tovarni Terafactory, ki bi bila 30-krat večja od trenutne Gigafactory v Nevadi, s čimer bi zaradi ekonomije obsega še znižali stroške proizvodnje.

Toda Musk razmišlja še širša in bolj dolgoročno. Baterije bi po koncu »življenja« v avtomobilu lahko uporabljali v velikih baterijskih hranilnikih energije za zagotavljanje omrežne stabilnosti. Primer je velikanska baterija Hornsdale v Avstraliji, ki so jo postavili leta 2017 in lahko shrani 185 MWh ter jih v omrežje oddaja s 100 MW. Takšni baterijski sistemi so namenjeni pokrivanju konic v porabi in glajenju omrežne napetosti. To seveda ni edina tovrstna baterijska »elektrarna«, imajo pa vse trenutno vsaj za velikostni razred manjšo kapaciteto od črpalnih elektrarn, saj zmorejo uskladiščiti nekaj deset megavatnih ur energije. Novejše uporabljajo litij-ionsko tehnologijo, starejše pa tudi svinec in nikelj-kadmij.

Tesla je v Hornsdalu v Avstraliji postavila največjo baterijsko »elektrarno«. Slika: Tesla

Po koncu življenjske dobe pa bi zagonsko podjetje Redwood Materials, ki ga je ustanovil nekdanji Teslin tehnični direktor J. B. Straubel, recikliralo nikelj, kobalt in litij iz odsluženih baterij. In kot rečeno, Tesla bi postala ponudnik električne energije, tako iz hranilnikov kakor na omrežje priključenih avtomobilov.

Podobno kot se procesorska moč eksponentno povečuje v skladu z Moorovim zakonom, tudi kapaciteta (in druge karakteristike) baterij vztrajno napreduje, dasiravno je napredek linearen. In ker se izboljšave tehnologije prevedejo na pocenitev obstoječe tehnologije, bodo električni avtomobili v prihodnosti gotovo iz nišnega izdelka postali vsakodnevni spremljevalci. Za to se bomo morali v veliki meri zahvaliti baterijam – vse ostalo je že tu.

V2G

Koncept vehicle-to-grid (V2G) opisuje uporabo baterij v električnih avtomobilih v električnem omrežju. Pametna omrežja lahko komunicirajo s pametnimi baterijskimi sistemi, ki po potrebi energijo oddajo v omrežje. Korakov je več. Najprimitivnejši je uporaba pametnega polnjenja, ker avtomobil, recimo, zvečer priključimo na omrežje. Ker vmesnik ve, da mora biti avtomobil poln čez 10 ur, polnjenje pa traja na primer 4 ure, bo za polnjenje izbral čas, ko je obremenjenost omrežja najmanjša, s tem pa tudi cena najugodnejša. Temu pravimo tudi V1G.

Pravi V2G pa omogoča, da se baterija v omrežje prazni. Kadar je povpraševanje po električni energiji veliko, baterije iz avtomobilov oddajo energijo v omrežje, za kar so lastniki seveda finančno nagrajeni. Lokalni V2G elektriko iz vozila uporablja lokalno, recimo za lastno hišo, splošni V2G pa jo prodaja v omrežje. Ko pa je elektrike več in je cenejša, se avtomobili polnijo. To zahteva pametna omrežja, a lahko omogoči efektivni dvig kapacitete ob konicah porabe. Negativni učinek pa sta seveda odpoved luksuzu, da imamo avtomobil kadarkoli nared za najdaljšo vožnjo, in večja izraba baterije, s tem pa hitrejše staranje. Ustrezen pametni polnilnik tudi ni poceni.

Na Otoku je pred kratkim V2G začel preizkušati Nissan. Sto novih lastnikov nissan leafa bo dobilo 5.500 funtov vreden pametni polnilnik, če bodo uporabljali V2G. Ideja še ni popolnoma zaživela, saj obstajajo pomisleki o učinkovitosti in smotrnosti, stroški proizvodnje baterije so namreč visoki – tako ekonomski kakor okoljski –, V2G pa baterije hitro izrablja. Kot z vsako drugo tehnologijo bo V2G ostal le zanimivost na papirju, če se ne bo množično razširil. Ali se bo, pa bomo še videli.

Tehnologija V2G omogoča vračanje energije iz baterije v vozilu v omrežje. Slika: Energystoragejournal.com