Dacă vehiculele electrice vor înlocui vreodată pe deplin mașinile care consumă multă benzină pe drumurile lumii, acestea vor avea nevoie de un tip complet nou de baterie. În ciuda îmbunătățirilor constante din ultimul deceniu în ceea ce privește densitatea de energie și durata de viață a bateriilor litiu-ion, celulele din noile vehicule electrice sunt încă în urma motoarelor cu combustie internă în aproape toate parametrii de performanță. Majoritatea EV-urilor au o autonomie mai mică de 300 de mile, este nevoie de mai mult de o oră pentru a le reîncărca pachetele de baterii, celulele pierd aproape o treime din capacitate în decurs de un deceniu și prezintă un risc grav pentru siguranță din cauza materialelor lor inflamabile.
Soluția la aceste probleme este cunoscută de zeci de ani: Se numește baterie cu stare solidă și se bazează pe o idee înșelător de simplă. În locul unui electrolit lichid convențional – materialul care transportă ionii de litiu între electrozi – folosește un eloctrolit solid. De asemenea, terminalul negativ al bateriei, numit anod, este fabricat din litiu metalic pur. Această combinație ar face ca densitatea energetică a bateriei să atingă cote maxime, ar permite o încărcare ultra-rapidă și ar elimina riscul de incendiu al bateriei. Însă, în ultimii 40 de ani, nimeni nu a reușit să realizeze o baterie solidă care să respecte această promisiune – până la începutul acestui an, când o firmă de pornire secretă numită QuantumScape a pretins că a rezolvat problema. Acum are datele care să o dovedească.
Marți, pentru prima dată, cofondatorul și directorul executiv al QuantumScape, Jagdeep Singh, a dezvăluit public rezultatele testelor pentru bateria solid-state a companiei. Singh spune că bateria a rezolvat toate provocările de bază care au afectat bateriile cu stare solidă în trecut, cum ar fi durata de viață incredibil de scurtă și rata de încărcare lentă. Conform datelor QuantumScape, celula sa se poate încărca până la 80% din capacitate în 15 minute, își păstrează peste 80% din capacitate după 800 de cicluri de încărcare, este incombustibilă și are o densitate energetică volumetrică de peste 1.000 de wați-oră pe litru la nivel de celulă, ceea ce reprezintă aproape dublul densității energetice a celulelor litiu-ion de top din comerț.
„Credem că suntem primii care au rezolvat problema cu stare solidă”, a declarat Singh pentru WIRED înainte de anunț. „Niciun alt sistem cu stare solidă nu se apropie de acest lucru.”
Celula bateriei QuantumScape are aproximativ dimensiunea și grosimea unei cărți de joc. Catodul său, sau terminalul pozitiv, este realizat din oxid de nichel mangan și cobalt, sau NMC, o chimie comună în prezent în bateriile pentru vehicule electrice. Electrodul său negativ, sau anodul, este fabricat din litiu metalic pur – dar este mai corect să spunem că nu are deloc un anod, deoarece este fabricat fără anod. Atunci când bateria se descarcă în timpul utilizării, tot litiul trece de la anod la catod. Spațiul liber rămas pe partea anodică – mai subțire decât un fir de păr uman – este comprimat temporar ca un acordeon. Procesul se inversează atunci când bateria se încarcă, iar ionii de litiu se revarsă din nou în spațiul anodic.
„Acest design fără anod este important deoarece este probabil singurul mod în care bateriile litiu-metal pot fi fabricate astăzi cu instalațiile de producție actuale”, spune Venkat Viswanathan, un inginer mecanic care lucrează la bateriile litiu-metal la Universitatea Carnegie Mellon și consilier tehnic al QuantumScape. „Lipsa anodului a fost o mare provocare pentru comunitate.”
Dar cheia descoperirii în stare solidă a QuantumScape este separatorul ceramic flexibil care se află între catod și anod. Acesta este materialul care pune „solidul” în starea solidă. La fel ca electrolitul lichid care se află între electrozi într-o celulă convențională, funcția sa principală este de a transporta ionii de litiu de la un terminal la altul atunci când bateria se încarcă și se descarcă. Diferența constă în faptul că separatorul solid acționează, de asemenea, ca o barieră care împiedică dendritele de litiu – fire metalice care se formează pe anozii metalici de litiu în timpul ciclurilor de încărcare – să se strecoare între electrozi și să provoace un scurtcircuit.
Venkat Srinivasan, directorul Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, a petrecut aproape un deceniu cercetând bateriile cu stare solidă la laboratorul național de lângă Chicago. El spune că găsirea unui material separator care să permită ionilor de litiu să circule liber între electrozi, blocând în același timp dendritele, a fost de departe cea mai mare provocare. În mod obișnuit, cercetătorii au folosit fie un polimer plastifiant, fie o ceramică dură. Deși polimerii sunt materialul separator preferat în cazul bateriilor cu electrolit lichid, aceștia sunt inadecvați pentru celulele cu stare solidă, deoarece nu blochează dendritele. Iar majoritatea ceramicii folosite pentru bateriile experimentale cu stare solidă au fost prea fragile pentru a rezista mai mult de câteva zeci de cicluri de încărcare.
„Aceste dendrite sunt ca rădăcina unui copac”, spune Srinivasan, care nu a fost implicat în lucrarea QuantumScape. „Problema pe care încercăm să o rezolvăm este: cum poți opri mecanic acest sistem de rădăcini să crească cu ceva solid? Nu poți pune pur și simplu orice vrei, pentru că trebuie să alimentezi cu ioni înainte și înapoi. Dacă nu faci asta, nu există nicio baterie.”
Baterii litiu-ion sunt sisteme complexe, iar motivul pentru care s-au îmbunătățit cu greu de-a lungul anilor este că modificarea unei părți a unei celule are adesea efecte în cascadă care îi modifică performanța în moduri neprevăzute. Pentru a construi o baterie mai bună, cercetătorii trebuie să investigheze în mod sistematic diferite materiale până când găsesc ceva care să funcționeze, ceea ce poate fi o sarcină incredibil de consumatoare de timp. Singh spune că au fost necesari 10 ani și 300 de milioane de dolari în cercetare și dezvoltare pentru QuantumScape până când compania a găsit un separator cu stare solidă care să se potrivească. El nu a vrut să dezvăluie din ce este făcut – acesta este sosul secret al companiei – dar spune că materialul este ieftin și ușor disponibil. „Nu am avut o revelație divină care să ne spună: „Acest material va funcționa, mergeți și construiți-l””, spune Singh. „A trebuit să trecem printr-o mulțime de fundături. Dar natura a oferit un material care îndeplinește cerințele și, din fericire, prin procesul nostru de căutare sistematică, am reușit să îl găsim.”
Singh spune că bateria QuantumScape este genul de schimbare treptată în ceea ce privește performanța, care va împinge vehiculele electrice în mainstream. El nu este singurul care crede acest lucru. Compania îi numără printre investitori pe Bill Gates și Vinod Khosla, iar mai mulți baroni ai bateriilor, cum ar fi cofondatorul Tesla, J. B. Straubel, fac parte din consiliul său de administrație. Unul dintre cei mai mari susținători ai companiei este Volkswagen, cel mai mare producător de automobile din lume, care a investit peste 300 de milioane de dolari în QuantumScape și care intenționează să înceapă să folosească celulele cu stare solidă în unele dintre vehiculele sale electrice începând cu anul 2025.
QuantumScape și VW nu sunt singurele companii din domeniul bateriilor cu stare solidă, bineînțeles. Toyota dezvoltă, de asemenea, o celulă cu stare solidă, pe care oficialii companiei plănuiau să o prezinte la Jocurile Olimpice de la Tokyo din acest an, înainte de a fi amânată din cauza pandemiei. La fel ca VW, Toyota plănuiește ca bateriile sale cu stare solidă să ajungă pe șosele până în 2025. Însă, la începutul acestui an, Keiji Kaita, vicepreședinte al diviziei de trenuri de propulsie de la Toyota, a declarat pentru publicația din industrie Automotive News că societatea trebuie să îmbunătățească în continuare durata de viață limitată a bateriei. Reprezentanții Toyota nu au răspuns solicitării de comentarii din partea WIRED.
Un startup în vârstă de șase ani numit Solid Power a realizat, de asemenea, o celulă solidă funcțională și a început să producă prototipuri de baterii cu 10 straturi suprapuse la o fabrică pilot din Colorado. Ca și QuantumScape, aceste celule au un anod de litiu-metal și un electrolit ceramic în stare solidă. Electrolitul de la Solid Power este pe bază de sulfuri, o chimie care este de dorit pentru bateriile cu stare solidă datorită conductivității sale ridicate și compatibilității cu procesele de fabricație existente. Compania are parteneriate cu o serie de producători auto, printre care Ford, BMW și Hyundai, deși directorii săi nu se așteaptă să vadă celulele lor pe șosele înainte de 2026, din cauza procesului îndelungat de calificare a automobilelor. Solid Power nu a publicat încă date despre celula sa, dar compania este așteptată să prezinte o celulă mai mare și să publice pentru prima dată datele de performanță ale acesteia în această joi.
„Peisajul concurențial al bateriilor cu stare solidă devine din ce în ce mai aglomerat din cauza potențialului uriaș pe care îl au bateriile cu stare solidă pentru a permite electrificarea vehiculelor”, spune Doug Campbell, directorul general al Solid Power. „Acest lucru duce, în cele din urmă, la vehicule electrice cu autonomie mai mare, fiabilitate mai mare și costuri mai mici.”
Datele de performanță ale companiei QuantumScape sunt impresionante, dar vin cu un avertisment important. Toate datele de testare au fost generate în celule individuale care, din punct de vedere tehnic, nu sunt baterii complete. Celula subțire dezvăluită de QuantumScape este destinată să fie stivuită împreună cu alte aproximativ 100 de celule pentru a forma o celulă completă care are aproximativ dimensiunea unui pachet de cărți. Alimentarea unui vehicul electric va necesita sute de astfel de baterii stivuite, dar până în prezent compania nu a testat o celulă complet stivuită.
Dezvoltarea unei baterii de la o subunitate a unei singure celule la o celulă completă și, în cele din urmă, la un pachet complet de baterii poate crea o mulțime de probleme, spune Srinivasan. Atunci când bateriile sunt fabricate în loturi mici, spune el, este mai ușor să se elimine defectele care apar în timpul procesului de producție. Dar, odată ce începeți să produceți baterii la scară largă, poate fi dificil să controlați defectele, care pot afecta rapid performanța unei baterii. „Chiar dacă un material poate părea foarte promițător la scară mică, la scară mai mare aceste defecte ar putea deveni o problemă mai mare”, spune Srinivasan. „Funcționarea în lumea reală este foarte diferită de funcționarea la scară de laborator.”
Jeff Sakamoto, un inginer mecanic axat pe stocarea energiei la Universitatea din Michigan, care nu a fost implicat în QuantumScape, este de acord. El spune că există încă lacune semnificative în ceea ce privește cunoștințele despre proprietățile mecanice fundamentale ale bateriilor litiu-metal solid-state, ceea ce ar putea crea probleme atunci când vine vorba de comercializarea tehnologiei. El amintește de primul avion comercial de pasageri din lume, nefericitul De Havilland Comet, ca exemplu al consecințelor lansării unei tehnologii înainte ca proprietățile materiale ale acesteia să fie complet înțelese. La scurt timp după ce a zburat, Comet a suferit mai multe defecțiuni catastrofale în aer, deoarece inginerii nu au înțeles pe deplin procesul de degradare a metalelor utilizate în corpul avionului. În timp ce miza este oarecum mai mică pentru celulele cu stare solidă decât pentru avioanele comerciale – bateriile sunt, la urma urmei, concepute pentru a fi ultrasigure – o baterie care ajunge pe piață și întâmpină probleme de performanță neașteptate ar putea încetini electrificarea transporturilor.
„Sunt uimit de cât de puțin se știe despre comportamentul mecanic al litiului metalic și despre modul în care fizica litiului afectează fezabilitatea bateriilor cu stare solidă”, spune Sakamoto. „Nu știu în ce măsură aceste lacune de cunoștințe vor afecta adoptarea pe scară largă a bateriilor litiu-metal cu stare solidă. Dar cu cât știm mai multe despre comportamentul fundamental, cu atât mai bună va fi tranziția către adoptarea pe scară largă.”
Singh nu este intimidat de provocările pe care QuantumScape trebuie să le abordeze înainte ca bateriile sale să iasă din laborator și să ajungă într-o mașină. În ceea ce îl privește, compania a rezolvat problemele dificile de știință de bază care au împiedicat comercializarea unei baterii cu stare solidă. „Nu vreau să banalizez munca care rămâne de făcut”, spune Singh. „Dar nu se pune problema dacă va funcționa sau nu. Este o chestiune de inginerie.”
La începutul acestui an, QuantumScape a devenit publică prin intermediul unei companii de achiziții speciale și a adăugat aproximativ 700 de milioane de dolari la bilanțul său deja considerabil. Singh spune că firma are acum mai mult de 1 miliard de dolari în fondul său de război, ceea ce este mai mult decât suficient pentru a o duce în producție. Pare imposibil ca această companie să eșueze, dar asta au crezut și investitorii despre A123 Systems și Envia Systems, două companii care au strâns sume uriașe de bani de la producătorii auto tradiționali cu promisiunea unei baterii pentru vehicule electrice care să schimbe regulile jocului, dar care s-au prăbușit atunci când performanța celulelor lor nu a fost pe măsura așteptărilor. QuantumScape ar putea foarte bine să devină primul startup care să livreze o baterie solidă comercială, dar compania are încă un drum lung de parcurs.
Mai multe povești importante din WIRED
- 📩 Doriți cele mai recente știri despre tehnologie, știință și multe altele? Înscrieți-vă la buletinele noastre de știri!
- Cercetarea de către un om a datelor ADN care i-ar putea salva viața
- Cursa pentru a descifra reciclarea bateriilor – înainte de a fi prea târziu
- AI vă poate conduce acum ședințele de lucru
- Spălați-vă pisica de sărbători cu echipamentele noastre preferate
- Hacker Lexicon: Care este protocolul de criptare Signal?
- 🎮 Jocuri WIRED: Obțineți cele mai recente sfaturi, recenzii și multe altele
- 🏃🏽♀️ Vreți cele mai bune instrumente pentru a fi sănătoși? Consultați alegerile echipei noastre Gear pentru cele mai bune dispozitive de urmărire a fitness-ului, echipamente de alergare (inclusiv pantofi și șosete) și cele mai bune căști
.