Pooja Vadhva 
Pranav Nagaveykar Pooja: U běžné lithium-iontové baterie máte dvě elektrody – anodu a katodu, a když článek vybijete, ionty lithia se pohybují napříč od anody a interkalují do katody. Elektrody naplněné kapalným elektrolytem a separátor polymeru slouží k zabránění zkratu článku. Elektrody jsou připojeny k externímu obvodu, kterým proudí elektrony, a jak vybíjíte článek, je na výstupu proud, který se používá k napájení elektrického vozidla. V polovodičové baterii je princip stejný, ale odstraníte separátor a kapalný elektrolyt a místo toho máte mezi dvěma elektrodami pevný elektrolyt. Pevný elektrolyt může umožnit lithiovou kovovou anodu, která má desetkrát větší teoretickou kapacitu než grafitová anoda, čímž se zdvojnásobí hustota energie článku. Lithium je vysoce reaktivní a může během cyklování vytvářet dendrity, které zkratují článek. Pevný elektrolyt může mechanicky zabránit tvorbě dendritů a také zvýšit bezpečnost článku, protože nemáte hořlavý kapalný elektrolyt.
Pranav: Pevné baterie jsou v podstatě lithium-iontové baterie bez kapalného elektrolytu. Kapalný elektrolyt je nahrazen pevným elektrolytem, proto se tyto baterie označují jako baterie v pevné fázi. Mnoho lidí je zmateno, že polovodičové baterie jsou zcela odlišné typy baterií než stávající lithium-iontové baterie. Není tomu tak. Jde jen o to, že kapalný elektrolyt je nyní nahrazen pevným.
Li-Ion baterie vs. všechny polovodičové baterie Pranav: Jak všichni víme, každý v průmyslu baterií neustále pracuje na překonání některých hlavních výzev pro přechod na elektromobily, jako je získání větší hustoty energie, kratší doba nabíjení, lepší životní cyklus, abychom jmenovali alespoň některé. S nově vyvinutými katodami, vyšším procentem niklu, anodami zalitými v křemíku, došlo k velkému zlepšení energetické hustoty těchto článků, ale zároveň jsou také tepelně méně stabilní. Kromě toho je relativní zlepšení doby nabíjení menší. Zdá se, že u konvenčních lithium-iontových článků se s ohledem na všechny tyto parametry blížíme k úrovni nasycení. Abychom dosáhli ještě vyšší hustoty energie, lepší tepelné stability a kratších časů nabíjení, musíme přejít k novému typu technologie a věřím, že právě tam přicházejí na řadu polovodičové baterie.
Pooja: Jsou tam nějaké zajímavé body. Další oblastí, kterou si myslím, že lidé neberou v úvahu, je letecký průmysl s rostoucím důrazem na udržitelnost a zájem o použití polovodičových baterií k částečnému nebo plnému napájení elektrických pohonných systémů v letadlech, například při vzletu nebo přistání. NASA také oznámila, že bude vyrábět polovodičové baterie pro lepší dobíjení a bezpečnost, takže je to opravdu slibné.
Pranav: Základní pracovní princip polovodičových baterií je stejný jako u běžných lithium-iontových baterií. V konvenčních lithium-iontových bateriích se lithium v katodě štěpí na lithium-iontové a elektronové. Elektron prochází vnější sítí, zatímco lithiový iont plave skrz kapalný elektrolyt, aby dosáhl anody. U polovodičových baterií je to víceméně jedno. Otázka zní – jak přesuneme ionty z anody na katodu a naopak? V zásadě používáme něco, čemu se říká difúze – přemístíme lithium-iontové pozice v rámci mřížky pevného elektrolytu, vytvoříme nějaká volná místa v aktuální mřížkové struktuře, aby ionty lithia mohly „přeskakovat“ z jedné mřížkové pozice do druhé a pohybovat se od anody k katodou a naopak. To je jediný rozdíl v pracovní části baterie.
Pooja: Odstraněním kapalného elektrolytu a separátoru je pevná baterie kompaktnější a při použití lithiové kovové anody se zvyšuje objemová hustota energie. Lithiové ionty, které procházejí mřížkou pevného elektrolytu, je relativně rychlý proces, ale také máte problémy s rozhraním u baterií v pevné fázi, protože máte pevné rozhraní na anodě a katodě, a to může být vysoce odporové, takže je to něco, co je třeba zvážit. aktivní oblast výzkumu pro mnoho průmyslových odvětví, která se to snaží vyřešit.
Pooja: Stejně jako lithium-iontová baterie bude katoda stále obsahovat kobalt, mangan a nikl; vyměňujeme pouze tekutý elektrolyt.
Pranav: Ano, katoda bude stejná. Existuje mnoho nejasností, že baterie v pevné fázi neobsahují kobalt, mangan a nikl, ale není to nutně pravda. Existuje možnost použití různých katod, ale ty současné se budou stále používat i s bateriemi v pevné fázi.
Pooja: Jednou z výhod pevných elektrolytů je, že můžete použít vysokonapěťové katody, které mají vyšší obsah niklu a nižší obsah kobaltu, což je samozřejmě výhoda z hlediska snížení obsahu kobaltu, protože se většinou vyrábí neeticky, a také zvýšení hustoty energie, která se rovná kapacita vynásobená oknem provozního napětí. Důvod, proč lze pevné elektrolyty použít s vysokonapěťovými katodami, je ten, že některé pevné elektrolyty mají okno provozního napětí, které je stabilní mezi 0 a 5 V, a 5 V je místo, kde se hodně kapalných elektrolytů brzy začne rozkládat (kolem 3 -4 V). Ale u polovodičových baterií není tak jasné, z čeho budou katodové materiály složeny. Pokud použijete materiál bez kobaltu, niklu nebo manganu, jako je katoda s fosforečnanem lithným a železem (LFP), je to eticky lepší, ale s EV, protože chcete vysokonapěťovou katodu pro zvýšenou hustotu energie, by to muselo být na bázi niklu.
Dalším bodem je, jak klasifikujete materiály s pevným elektrolytem; máte anorganické a organické elektrolyty. Ten běžně používá nějaký druh polymerních elektrolytů, ale protože jejich iontová vodivost je nízká, nemáte tendenci je používat pro aplikace EV. Když se podíváte na anorganické látky, existuje mnoho klasifikací – hlavní dvě jsou oxidové a sirné materiály. Oxidy jsou tvrdá keramika a jsou snadno dostupné, ale musíte je slinovat při vysokých teplotách přibližně 1000 až 1200 o C a to s sebou nese spoustu nákladů. Chemické látky na bázi síry jsou měkčí materiály, takže je nemusíte zpracovávat při tak vysoké teplotě, což je výhoda, ale když síra reaguje s vlhkostí, vzniká H2 S plyn, který je toxický, takže tyto věci je třeba vzít v úvahu, když máte výrobní linku, stejně jako CO2 emise.
Pooja: Snížení doby nabíjení; QuantumScape uvedl, že jeho článek se dokáže nabít na 80 % kapacity za 15 minut, což je mnohem méně ve srovnání s dnešním průmyslovým standardem, který je někde kolem 30–40 minut, a jedním z hlavních důvodů, proč to můžete udělat, je skutečnost, že neexistuje hořlavý kapalný elektrolyt v pevné baterii, takže při rychlejším nabíjení nemusíte myslet na zvýšení teploty článku.
Pranav: Jak Pooja zmínil, rychlá doba nabíjení bude u SSB velkou výhodou. 80 % za 15 minut znamená, že se nabijeme na 26 % za 5 minut. I za předpokladu dojezdu 400 km je to jako dojezd přes 100 km za 5 minut rychlého nabíjení, což zní docela působivě. Kromě toho si myslím, že vylepšené balení baterií je další výhodou z hlediska konstrukčního inženýrství.
QuantumScape úspěšně složil své jednovrstvé články a nyní říká, že vyvine vícevrstvé polovodičové bateriové články, když se přesune do pilotní výroby
Pooja: Těžko říct, protože ještě nikdo nevyrobil celé balení. Recyklace by v zásadě měla být možná. Bude však nákladově efektivní těžit materiály prostřednictvím recyklace? Nakonec to závisí na chemii pevného elektrolytu. Pevná povaha pevných elektrolytů usnadňuje extrakci složek ve srovnání s kapalným elektrolytem. A pokud se použije sirný pevný elektrolyt, síra je velmi levná, takže její recyklace nemusí být efektivní. Pokud se použije keramický pevný elektrolyt, který vyžaduje zpracování při vysoké teplotě, a proto je jeho výroba nákladná, může to ospravedlnit náklady na recyklaci. Jen si myslím, že tyto věci ještě nebyly plně zohledněny, protože zatím nemáme elektromobil s pevnou baterií.
Pranav: Přesně tak. Kromě části s pevným elektrolytem je zbytek stejný jako běžná baterie, takže pokud jde o recyklaci, měla by se i nadále vyvíjet stejnou cestou.
BASF postaví nový prototypový závod na recyklaci baterií v německém Schwarzheide
Pooja: Pevné baterie nabízejí dvojnásobnou hustotu energie a jsou ze své podstaty bezpečné. Problémem jsou technické problémy a jejich škálování do velkoformátových buněk pro elektromobily nákladově efektivním způsobem.
Pranav: Pokud jde o pokrok, polovodičové baterie (SSB) čelí problémům na několika úrovních. Z technického hlediska se SSB potýkají s problémy se samotným rozhraním elektrolyt-elektroda, což je kontakt mezi pevným elektrolytem a anodou a katodou. Pevné buněčné rozhraní vytváří spoustu problémů z hlediska energie, když ionty proudí. Problém je také s mechanickým stavem. Pevné elektrolyty mohou prasknout pod tlakem naskládaných článků při vytváření bateriového bloku. Pak je tu problém komercializace, aby se tyto baterie přizpůsobily výrobním objemům.
Pooja: Souhlasím, že výroba může být jiná, ale nevidím to jako zásadní problém. Pevné baterie ve skutečnosti nemůžete vyrobit jako válcový článek, protože nejsou dostatečně flexibilní, aby se mohly navinout do válcového formátu. Současné výrobní linky lithium-iontových baterií by se tedy musely přizpůsobit článkům pouzdrového typu. Má to však výhodu, protože pokud můžete eliminovat použití modulů, které jsou drahé, a vkládat buňky do balíčků přímo, ano, možná budete muset změnit formát buňky, ale získáte tím na snížení hmotnosti a nákladů.
Z dlouhodobého hlediska je největším problémem problém tlaku a dendritů. Pevný elektrolyt, o kterém jsme mluvili dříve, také funguje jako bariéra, která brání lithiovým dendritům vstoupit mezi elektrody a způsobit zkrat. Aplikací tlakové vrstvy lze snížit tvorbu dendritů poskytnutím lepšího mezifázového kontaktu. Dokonce i QuantumScape, kteří uvedli, že jejich baterie řeší všechny základní problémy, které sužovaly polovodičové baterie, jako je krátká životnost a pomalá rychlost nabíjení, stále cyklují články při atmosférickém tlaku 3,4. Můžeme to udělat v jedoucím vozidle? Často se 1 MPa uvádí jako životaschopný tlak pro EV, a proto bychom se k tomu měli zaměřit. Potřebujeme stejný výkon článků pro polovodičové baterie, ale pod realistickým tlakem, který bychom mohli vyvinout pouhým skládáním článků.
Pokud používáte sirný elektrolyt, stále existuje problém při havárii, kdy je síra vystavena vzduchu a způsobuje uvolňování toxických plynů. Oxidové elektrolyty neprodukují takové toxické plyny, ale vyžadují vysoké teploty pro slinování, které je nákladné. Existuje tedy kompromis mezi sníženou teplotou slinování elektrolytu pro sirné elektrolyty a náklady spojené s budováním komor citlivých na vlhkost.
Dalším problémem je vybudování dostatečného množství továren na to, aby se snížily celkové výrobní náklady polovodičových baterií, protože budou dražší než lithium-iontové, i když budou počáteční náklady na chemii nižší.
Čistě elektrické Volvo C40 a XC40 dobíjení v nabíjecí stanici Pranav: To zní v souladu se současným stavem. Zatím není k dispozici ani pořádný model v plném měřítku. Komercializační část může záviset na tom, jak se přizpůsobí produkce těchto buněk.
Pooja: Je velmi obtížné říci, zda je to konkrétně 2030 nebo 2034, protože tyto společnosti hledají různé materiály pevných elektrolytů a všechny související náklady a výrobní linka se bude lišit, takže je příliš brzy na to říci, ale nevidím, že by byly levnější než lithium-iontové baterie před tímto časovým rámcem.
Pooja: Ano, ve skutečnosti mají výhodu, protože nejsou hořlavé, takže je můžete vzít na vyšší teploty a dokonce i při nižších teplotách, kdy se zdá, že se tvoří dendrity. I když je balení o něco dražší, lze jej použít ve více aplikacích, jako je letecký průmysl nebo vysoce výkonná vozidla, která mohou během provozu vyžadovat vysoký teplotní rozsah. Jak se elektromobily stávají populární, mohou společnosti dosáhnout úspor z rozsahu zvýšením výroby a snížením nákladů.
Pranav: Ano, to je jeden z hlavních předností polovodičových baterií. Široký teplotní rozsah.
Pranav: Ano. nepotřebují drahé chladicí systémy. Existuje možnost, že nevyžadují žádný chladicí systém. Také to znamená, že výrobci elektromobilů mohou tento prostor využít k uložení více baterií nebo k efektivnějšímu zabalení stávající velikosti baterie.
Pooja: Ano přesně, a to může také pomoci snížit výrobní náklady.
Pranav: Osobní elektrická vozidla, v oblasti letectví probíhá mnoho výzkumů, jak jsme zmínili, takže by to mohlo přijít jako jedna z aplikací, ale z toho, co jsem četl, je nejprve uvidíme v EV.
Pooja: Ano, souhlasím, ale asi bych řekl luxusnější EV, kvůli ceně. Jakákoli aplikace, kde je bezpečnost a energetická hustota prvořadá a náklady nejsou problémem, to je místo, kde to uvidíme jako první, takže letectví, jak řekl Pranav. Řekl bych, že pro mřížkové nebo námořní aplikace, kde chcete, aby byly baterie velmi levné a nezáleží na hustotě energie nebo velikosti, pak průmysl nebude vypadat jako pevný stav.
Pranav: Všichni výrobci automobilů musí pro jakýkoli projekt stanovit časovou osu a rok 2025 je agresivní cíl, i když pro ukázku je zcela možný, ale nevidím, že by do té doby byla výroba připravena.
Pooja: Řekl bych, že z akademické stránky musíme nejprve vyřešit problém s dendritem. Řekněme, že vezmeme slovo QuantumScape, že vyřešili problém s dendritem, a pak v tuto chvíli mají desetivrstvou buňku, která bude tvořit součást jediné váčkové buňky. Jejich počáteční cyklické testy byly provedeny na jednovrstvé buňce, takže musí tyto výsledky reprodukovat na své desetivrstvé buňce. Jakmile bude desetivrstvá buňka dobře fungovat, musí integrovat tyto pouzdrové buňky do balíčku, což bude trvat jeden až dva roky, a pak to budou muset vyzkoušet v prototypu vozidla a v tandemu postavit výrobní linku. Zaprvé bychom museli vidět, jestli jakmile to dají do plného balení, dostanou výkon, který potřebují, aby zjistili, jestli se vyplatí škálovat pro gigafactory.
Solid Power je další společností, která vyrobila 2Ah pouzdro a v současné době vyrábí 20Ah. I když jsou časové osy poměrně daleko, myslím si, že během příštího roku nebo dvou budeme moci alespoň vědět, zda to bude komerční a integrované do elektromobilů s vyřešením výše uvedených problémů. Tehdy bude čas se nadchnout, ale není to daleko:přesunout se z laboratoří do výroby a, pokud se to osvědčí, s dostatkem peněz a investorů, rychle vybudovat zařízení na výrobní lince.
BMW Group a Ford se zaměřují na využití nízkonákladové a vysoce energetické technologie solid-state baterií Solid Power v připravovaných elektrických vozidlech. Pooja: Myslím, že obojí je potřeba, a v případech špičkových aplikací, jako jsou výkonné/luxusní elektromobily, kde je výkon a bezpečnost prvořadá, budeme mít solid state, ale nemyslím si, že by lithium-ion v brzké době zmizel, je to docela levné a pro věci jako systémy pro skladování energie, je to perfektní, protože mají rychlou odezvu, modularizaci a flexibilní instalaci.
Pranav: Souhlasím také s Poojou, alespoň v příštích několika desetiletích, a dokud náklady na polovodičové baterie neklesnou, uvidíme, že se budou používat obě. A pokud jde o prohlášení VW, myslím, že bychom mohli vidět zvýšení dojezdu až o 50 procent.
Pooja: To je docela málo, je tu Samsung, který se spojil s Toyotou. Honda a Nissan, pak je tu Solid Power, do kterých BMW a Ford hodně investují – kteří používají sirný elektrolyt, který se liší od QuantumScape, kteří používají keramický elektrolyt. Solid Power také hledá křemíkovou anodu, což je zajímavé, protože průmysl většinou používá lithiové anody. Existuje společnost Solid Energy Systems, se kterou spolupracuje General Motors a která používá hybridní elektrolytický systém – pevný polymerní elektrolyt k ochraně lithiové anody, ale má kapalný elektrolyt.
