Świat na baterie. E-rewolucja niebawem sięgnie przestworzy

Rewolucja technologiczna. Efekty przekraczają oczekiwania

Piotr Włoczyk: Od dwóch dekad przygląda się pan z bliska rewolucji na rynku baterii. Jak wiele się przez ten czas zmieniło, czy to już rewolucja technologiczna?

Prof. Leszek Niedzicki: Skok technologiczny jest tu niesamowity. Przeciętnie co roku notujemy 6-7 procent wzrostu średniej gęstości energii baterii. Być może taki jednostkowy przyrost nie wydaje się duży, ale jeżeli policzymy to w skali wielu lat, to okazuje się, że zasięg aut elektrycznych wzrastał dzięki temu sukcesywnie ze 100 km do 200 km, a potem do 400 km. Ten postęp to kwestia tylko kilkunastu ostatnich lat!

Inna istotna sprawa to koszty. Jedynie w ciągu ostatniej dekady baterie staniały przeciętnie 7-krotnie. Zwiększył się też czas „życia” baterii. W tej chwili nawet po czterech latach, jeżeli o nie dbamy, czyli właściwie je ładujemy, baterie w naszych telefonach są wciąż w dobrym stanie. Właściwie wszystkie parametry baterii uległy skokowej poprawie, a to przecież nie koniec tej e-rewolucji. W laboratoriach, również u nas na Politechnice Warszawskiej, badacze testują nowe rozwiązania, które sprawią, że baterie będą jeszcze pojemniejsze, bezpieczniejsze i tańsze.

Latem głośno było o nowej baterii „Short blade” – typu litowo-żelazowo-fosforanowego – opracowanej przez chiński koncern Geely. Producent przekonuje, że ta „cudowna bateria” ma mieć żywotność na poziomie miliona kilometrów i jest świetnie zabezpieczona pod kątem pożaru. Czy ta bateria to faktycznie tak przełomowe rozwiązanie?

Każdy producent zachwala swoje baterie, ale ten typ baterii, choć faktycznie ma dobre parametry, nie jest nowinką. Ogniwa LFP, czyli litowo-żelazowo-fosforanowe, to technologia obecna na rynku od co najmniej dekady. Do niedawna stosowano ją głównie w większych pojazdach, np. ciężarówkach i autobusach, a także w przydomowych magazynach energii, gdzie dominuje. Od kilku lat baterie LFP pojawiają się też w autach osobowych.

To bardzo żywotne baterie – 3-4 tysiące cykli nie stanowi dla nich problemu – ale są dużo cięższe i dłużej się ładują od ich niklowo-manganowo-kobaltowych (NMC) odpowiedników. Akumulatory typu LFP mają jednak przy tym jedną ogromną zaletę – w przyszłości będą tańsze od NMC, ponieważ nie wykorzystują materiałów krytycznych jak kobalt i nikiel.

O tym się mówi: Kryzys gospodarczy. Polska może przeskoczyć najtrudniejszy moment

Rewolucja technologiczna i problemy z surowcami

Szczególnie kobalt jest problematycznym surowcem, zważywszy na olbrzymie kontrowersje natury etycznej wiążące się z wydobywaniem go w Kongu…

Tak, nie tylko ilość pozyskiwanego tam surowca jest problemem, ale także tragiczne warunki, w jakich tamtejsi górnicy wydzierają go z ziemi. Jednak dla branży samochodowej najbardziej kłopotliwa jest właśnie kwestia skali pozyskiwania kobaltu. W całej UE produkuje się obecnie ok. 12 milionów samochodów osobowych rocznie. Jeżeli chcemy w przyszłości wytwarzać jedynie samochody elektryczne, to potrzebujemy ok. 1,5 mln ton materiałów katodowych. Bateria składa się z anody, elektrolitu i katody. Ta pierwsza nie jest problematyczna pod względem materiałowym, elektrolit również, ponieważ jest go w całej baterii stosunkowo niewiele, natomiast wyzwaniem jest katoda. Zwykle stosuje się w niej materiały pochodzące z surowców mineralnych.

Gdyby trzymać się starych technologii, przestawienie się w całości na auta elektryczne tylko w UE wymagałoby co roku użycia takiej ilości kobaltu, która obecnie wydobywana jest na całym świecie przez… 10 lat. I dlatego od lat naukowcy pracują, by zmniejszyć ilość kobaltu w katodach. Jednym z pomysłów są tlenki mieszane NMC, które zawierają z każdą generacją coraz mniej kobaltu (np. 10-20 proc.). Dziś tylko co dziesiąty samochód produkowany w UE jest elektryczny, a już brakuje nam kobaltu! Z tego powodu producenci aut wybierają technologię LFP – kilka lat temu postawiła na nią m.in. Tesla. Chińskie firmy z branży samochodowej już od dłuższego czasu korzystają właściwie tylko z LFP, europejskie też się do niej przekonują.

Gorący temat: Umiejętności boomersów nadal zaskakują. Pokolenie Z ich nie ma

Technologia przyszłości. Idą zmiany w komunikacji

Czyli w elektronice użytkowej, jak smartfony, wciąż będziemy korzystali z baterii NMC. Jednak auta elektryczne, ponieważ wymagałyby o wiele więcej kobaltu, będą rozwijane w oparciu o technologię LFP?

W ciągu najbliższych kilku lat tak zapewne będzie, ale niedługo może się to zmienić. Obecnie trwają badania nad technologią litowo-siarkową i sodowo-jonową. Tą pierwszą zajmuje się również mój zespół. Akumulatory sodowo-jonowe są cięższe od ogniw litowo-jonowych, więc na razie nic nie wskazuje na to, by mogły one być używane na masową skalę w samochodach osobowych, raczej trafią np. do magazynów przydomowych, gdzie masa ma mniejsze znaczenie.

Ogromną przewagą baterii litowo-siarkowych jest to, że do budowy katody będzie można wykorzystać sztuczne węgle, dosyć łatwe i relatywnie tanie w produkcji. A samej siarki jest na świecie w bród. Całe jej hałdy pochodzą z odsiarczania spalin lub paliw, od biedy można ją pozyskać nawet z wód mineralnych. Stąd właśnie technologia litowo-siarkowa jest obecnie najbardziej obiecująca.

Warto przeczytać: Technologia wodorowa na morzach. Yamaha tworzy silniki przyszłości

Rewolucja technologiczna. Wielki sukces polskich naukowców

W czym konkretnie specjalizuje się pański zespół z Politechniki Warszawskiej?

Politechnika Warszawska jest w europejskiej czołówce jeżeli chodzi o elektrolity – jest to jeden z trzech kluczowych komponentów baterii. Większość zespołów zajmujących się tym tematem miesza znane od dawna substancje. My natomiast opracowaliśmy zupełnie nową technologię i mamy na koncie jedno z ważniejszych wdrożeń w Europie – pierwszy europejski elektrolit. To o tyle ważne, że do tej pory bazowano głównie na elektrolicie opracowanym w Azji.

Co jest przewagą waszego elektrolitu?

Najpopularniejszy elektrolit na świecie jest niestabilny pod względem termicznym. W związku z tym w najlepszym wypadku przegrzana bateria, w której jest on wykorzystywany, zepsuje się. W najgorszym – może dojść do zapłonu. Od razu muszę zaznaczyć, że to bardzo rzadkie sytuacje, ale jednak może do tego dojść. W związku z tym inżynierowie muszą brać to pod uwagę i wprowadzać środki zaradcze. A to oczywiście oznacza koszty.

Drugim problemem jest to, że sól w tym elektrolicie rozkłada się. Proces ten jest powolny, ale jednak dochodzi do niego. Można się przed tym zabezpieczyć dodając do elektrolitu pewne składniki, ale to również oznacza zwiększenie kosztów.

W naszej technologii nie ma problemu z przegrzewaniem baterii, a samo urządzenie powinno być tańsze, ponieważ nie trzeba dodawać żadnych substancji, które używane są do zabezpieczania soli. Nasza sól ma tak duży temperaturowy zapas bezpieczeństwa, że można ją przetwarzać w wyższych temperaturach. I można ją używać w stałych elektrolitach, a to technologia przyszłości – baterie bez ciekłego elektrolitu za jakiś czas będą dominującą technologią. Ich wielkim plusem jest to, że praktycznie zupełnie zniknie ryzyko pożaru.

Dlatego tyjemy. Najnowsze badania: Problem efektu jojo wyjaśniony

Technologia przyszłości: polski wynalazek nie ma fluoru

Ale to nie koniec innowacji z PW. Na bazie wiedzy, którą uzyskaliśmy w trakcie 18 lat badań nad solą, stworzyliśmy drugą sól, która – co do zasady – ma lepsze parametry temperaturowe, lepiej przewodzi, ale co najważniejsze: w ogóle nie zawiera fluoru. A to kluczowa rzecz przy odzysku materiałów z baterii.

Fluor „brudzi” resztę materiałów?

Tak. Odzyskiwanie surowców „zabrudzonych” fluorem jest kompletnie nieopłacalne. Dlatego wyeliminowanie fluoru w sytuacji, gdy chcemy odzyskiwać z baterii jak najwięcej materiałów, jest nie do przecenienia. Jesteśmy pierwszymi naukowcami na świecie, którym się ta sztuka udała.

Pojazdy elektryczne. Od mitów do faktów

W naszej rozmowie już kilka razy pojawił się temat pożarów baterii. Obawy, jakie w tej sprawie żywi niemała część społeczeństwa, to poważny problem dla producentów aut elektrycznych.

Faktycznie, w społeczeństwie generalnie panuje przekonanie, że auta elektryczne mają z tym problem. Ja sam kiedyś w to wierzyłem. Ale jeżeli przeanalizujemy dane statystyczne, to okaże się, że to auta spalinowe częściej się palą.

Nie da się jednak ukryć, że dużo trudniej ugasić palącego się „elektryka”.

To prawda, natomiast auta elektryczne nie płoną częściej niż spalinowe, a wręcz przeciwnie – statystycznie dochodzi do tego dużo rzadziej. Jednak każdy taki pożar przykuwa uwagę opinii społecznej, ponieważ media nagłaśniają takie zdarzenia. Samochodom z bateriami litowo-siarkowymi trudniej będzie się zapalić, ale też łatwiej będzie je ugasić. Natomiast, jak już wspomniałem, baterie ze stałymi elektrolitami wyeliminują problem zapłonów „elektryków”.

Mroźne dni też nie zachęcają do kupowania elektryków. Gdy rano podjedziemy pod biurowiec z autem naładowanym w 80 proc., to po ośmiu godzinach stania na mrozie bateria będzie wskazywać dużo mniej energii, np. 40 proc…

Zgadza się, przy czym 40 proc. po 8 godzinach stania na mrozie należałoby uznać za sukces. W czym jednak tak naprawdę tkwi problem? Norwegowie żyją w dużo zimniejszym klimacie, a jednak ich kraj jest jednym z największych odbiorców Tesli w Europie… Problemem jest u nas infrastruktura. Jeżeli mielibyśmy przy biurowcach miejsca do ładowania, to auto jest w stanie samo zadbać o odpowiednie warunki w komorze klimatycznej, w której zamknięta jest bateria. To samo w gruncie rzeczy tyczy się południa Europy, gdzie z kolei auto elektryczne podczas postoju na słońcu musi chłodzić baterię…

Ważny temat: Choroba Alzheimera rozwija się w ciszy. Pierwsze objawy są subtelne

Rewolucja technologiczna się dokona. Spalinowce znikną z miast

Technologia magazynowania prądu faktycznie dokonała w ciągu ostatnich dwóch dekad ogromnego skoku naprzód. Czy to oznacza, że auta spalinowe z pewnością przejdą do historii?

Myślę, że w przewidywalnej perspektywie, szczególnie w miastach, „elektryki” wypchną auta spalinowe. Wszędzie tam, gdzie pojazdy poruszają się na relatywnie krótkich, przewidywalnych trasach, jak choćby autobusy miejskie czy vany kurierskie, pojazdy elektryczne będą przejmowały rynek. Kolejnym dużym krokiem będą ciężarówki. Natomiast jeszcze przez dłuższy czas auta spalinowe, czy hybrydy, będą zapewne bardziej sensowną opcją, jeżeli chodzi o dłuższe trasy – tu wszystko zależy od rozwoju infrastruktury koniecznej do ładowania aut.

Potrafi pan sobie wyobrazić e-rewolucję w przestworzach?

Przy obecnej technologii już jest to możliwe. Na rynku pojawiły się awionetki elektryczne, a w kilku światowych metropoliach działają powietrzne taksówki wyglądające jak małe śmigłowce. Na krótszych dystansach elektryczne statki powietrzne będą zapewne w przyszłości coraz bardziej powiększać swój udział w rynku. Pamiętajmy, że w UE pojawiają się pomysły, by ograniczyć ruch samolotowy na takich dystansach. We Francji nie polecimy na trasie krajowej z jednego miasta do drugiego, jeżeli różnica w czasie podróży jest zbyt mała w stosunku do jazdy pociągiem. I tu odpowiedzią mogą być właśnie samoloty śmigłowe o napędzie elektrycznym.

A podróże międzykontynentalne? Klasyczne odrzutowce mają chyba niezaprzeczalną przewagę nad konstrukcjami śmigłowymi…

E-podróże międzykontynentalne? Kwestia technologii przyszłości

W zasięgu ręki są już samoloty pasażerskie średniej wielkości napędzane prądem, ale ograniczeniem jest prędkość. Samolot odrzutowy zawsze będzie dużo szybszy od statku powietrznego napędzanego śmigłami. Pytanie, czy w przyszłości ludzie będą się godzili na wolniejszą podróż, która jednak będzie bardziej „zielona”. A może zostanie opracowana nowa, rewolucyjna technologia napędu, która rozwiąże problem niższej prędkości e-samolotów?

Pytanie też, jak na rynek lotniczy wpłyną ośrodki polityczne. Widzieliśmy już jak to zadziałało w UE w kwestii fabryk baterii. W ciągu dekady przechodzimy od niemal braku takich fabryk w Europie do mocy produkcyjnych, i to dostępnych już niedługo, na poziomie 2 tys. GWh, czyli do 20 proc. udziału światowego…

Polecamy: HOLISTIC NEWS: Psychologia spisków. Tak wierzymy w absurdalne teorie #OBSERWACJE

Wiele słyszy się o ogromnych postępach, jakie w tej dziedzinie notują Chińczycy. Czy ChRL jest dziś poza zasięgiem Europejczyków w kwestii elektromobilności?

I tak, i nie. Większość patentów technologii opracowanych na potrzeby baterii do samochodów elektrycznych powstało w Europie i Kanadzie. Chiny natomiast na pewno dominują pod względem skali. Trudno się temu dziwić, skoro władze w Pekinie uznały to lata temu za strategicznie ważną gałąź gospodarki i obficie wspierają swoich producentów subsydiami. Z tego też powodu UE broni się nakładając na chińskie „elektryki” cła.

W Europie jesteśmy w stosunku do Chin zapóźnieni, jeżeli chodzi o masową produkcję. Natomiast w kwestii rozwoju technologii – nie mamy się czego wstydzić, a wręcz przeciwnie. Nie powiedziałbym, że Chiny mają tu nad nami przewagę.

Przeczytaj inny wywiad Autora: „Strefy no-go” w sercu Europy. Ostrzeżenie także dla Polski