1000 kilometrów na jednym ładowaniu. Mercedes testuje już przełomowe baterie

Gdybym zapytał większość z Was o największą wadę samochodów elektrycznych, to wszyscy zapewne wskazaliby przede wszystkim dwie kwestie: zasięg i czas ładowania. Faktycznie, auta na prąd wciąż ustępują spalinowym pod kątem dystansu, który pokonują na "jednym tankowaniu". Do tego w zależności od mocy ładowarki i od konstrukcji auta, czas spędzany przy ładowarce waha się w graniach od 15 do nawet 40 minut. To niebawem może być jednak przeszłość, a rewolucyjną zmianą będą baterie półprzewodnikowe.

Wielu producentów, zwłaszcza z Chin, pracuje nad takimi konstrukcjami. W Niemczech także są one obiektem zainteresowania. Mercedes właśnie wypuścił na drogi EQS-a z taką konstrukcją.

O co tyle zamieszania? Czym wyróżniają się baterie półprzewodnikowe i co jest ich największą zaletą?

Największym problemem nowoczesnych baterii jest to, że wciąż są ciężkie. Oczywiście ich gęstość energetyczna rośnie i przeszliśmy z poziomu wynoszącego 0,05-0,08 kWh na kilogram do nawet 0,16-0,20 kWh/kg. Różnica jest ogromna, bo to oznacza, że w zasadzie dwukrotnie zwiększyliśmy już wydajność baterii o tej samej pojemności.

Ale to nie jest wszystko. Baterie półprzewodnikowe, czyli ze stałym elektrolitem, mają być kolejnym krokiem. Ich największą zaletą będzie jeszcze wyższa gęstość energetyczna, a także niższa masa.

Zobacz 3 zdjęcia

Dla przykładu: Mercedes obiecuje tutaj 450Wh/kg, czyli 0,45 kWh/kg. Samochody z akumulatorami, które oferują 0,165-0,19 kWh/kg zapewniają już teraz 350-400 kilometrów realnego zasięgu w trasie. To między innymi Volkswagen ID.7, czy Audi A6 E-Tron.

Baterie półprzewodnikowe oferują znacznie wyższą gęstość energii w porównaniu do klasycznych akumulatorów litowo-jonowych. Przykładem są prototypy opracowane przez firmy takie jak QuantumScape czy Solid Power, które osiągają gęstość energii na poziomie 350-500 Wh/kg, podczas gdy standardowe baterie litowo-jonowe oferują maksymalnie około 250 Wh/kg.

Podwojenie tej wartości oznacza automatycznie dużo wyższy zasięg przy zachowaniu tej samej pojemności. Do tego konstrukcja baterii półprzewodnikowej jest lżejsza, co oznacza mniejszą masę samochodu i jeszcze niższe zużycie energii.

Ale to nie jedyne zalety. Najważniejszą jest przede wszystkim odporność na degradację

Nie jest tajemnicą, że baterie się zużywają. Widzimy to po naszych smartfonach czy laptopach. Samochody też to dotyczy. Tu oczywiście wszystko uzależnione jest od sposobu eksploatacji i ładowania, gdyż to ono wpływa na stan akumulatora.

Im częściej ładujemy je prądem stałym, tym szybsza jest degradacja. Z reguły wynosi ona od kilku procent przy około 100 000 kilometrach przebiegu, do nawet kilkunastu procent w skrajnych przypadkach.

Zobacz 3 zdjęcia

Tu pojawia się kolejna zaleta, którą niosą baterie półprzewodnikowe. Są one bardzo wytrzymałe i odporne na degradację. Teoretycznie po nawet 500 000 kilometrów przebiegu powinny oferować o raptem 1-5% niższą użyteczną pojemność. A to oczywiście przekłada się na większy zasięg.

Mercedes właśnie rozpoczął testy EQS-a z taką baterią

Za projekt nowej baterii odpowiada Mercedes AMG High Performance Powertrains (budujące m.in. silniki do bolidów Formuły 1), oraz Mercedes Benz Center of Competence for Battery Systems. Tutaj wykorzystywana jest wiedza pozyskana w F1, bardzo przydatna przy budowaniu wytrzymałych i wydajnych konstrukcji.

Niemiecka marka podkreśla, że to jest kolejna zaleta - bezpieczeństwo. Cele są solidniejsze i odporniejsze na uszkodzenia. Tradycyjne baterie litowo-jonowe z ciekłym elektrolitem są podatne na przegrzewanie i mogą ulec samozapłonowi w wyniku zwarcia lub uszkodzenia mechanicznego. Stały elektrolit eliminuje to ryzyko, ponieważ jest chemicznie stabilniejszy i bardziej odporny na wysokie temperatury oraz uszkodzenia mechaniczne.

Dużą zaletą będzie też znacznie szybsze ładowanie. Stały elektrolit umożliwia szybszy transport jonów, co przekłada się na krótszy czas ładowania. Według badań Toyoty, baterie półprzewodnikowe mogą naładować się do 80% pojemności w mniej niż 15 minut, co stanowi znaczący postęp w porównaniu do konwencjonalnych akumulatorów.

Mercedes niestety nie podaje jeszcze terminu wprowadzenia baterii półprzewodnikowych na rynek. Pewne jest jednak to, że nie zobaczymy ich w samochodach przed 2027 rokiem.

Jaki skład chemiczny mają baterie półprzewodnikowe?

Baterie półprzewodnikowe różnią się składem chemicznym w zależności od producenta i technologii, ale ich główną cechą jest zastąpienie ciekłego lub żelowego elektrolitu stałym elektrolitem. Oto typowy skład chemiczny takich baterii:

1. Anoda

• Lit-metal (Li-metal) – w nowoczesnych wersjach, zamiast grafitowej anody, stosuje się czysty lit, co zwiększa gęstość energetyczną.
• Krzem (Si) – w niektórych wariantach zamiast litu stosuje się krzemowe anody, które mogą magazynować więcej jonów litu.
• Węglik krzemu (SiC) – może być stosowany jako wzmacniający materiał przewodzący.

2. Katoda

• Tlenki metali przejściowych z litem (np. LiCoO₂, LiNiMnCoO₂ (NMC), LiFePO₄ (LFP)) – podobne do tych stosowanych w klasycznych bateriach litowo-jonowych.
• Siarkowe katody (np. Li-S) – w niektórych wariantach bada się zastosowanie siarki, która zwiększa pojemność.

3. Stały elektrolit

W bateriach półprzewodnikowych ciekły elektrolit zastępuje się stałym, co poprawia bezpieczeństwo i wydajność. Do popularnych materiałów należą:

• Ceramika (np. tlenki litu, perowskity – Li₇La₃Zr₂O₁₂, LLZO)
• Siarka i związki siarki (np. Li₁₀GeP₂S₁₂)
• Polimery przewodzące (np. polietylenotlenek – PEO, polisulfoniany)

Dodatkowe materiały w bateriach półprzewodnikowych

• Dodatki przewodzące (np. grafen, nanorurki węglowe) – poprawiają przewodność elektryczną.
• Modyfikatory elektrolitu (np. LiPON – fosforan litu i azotu) – stabilizują warstwę graniczną między elektrolitem a elektrodami.

Nowoczesne baterie półprzewodnikowe są obiecującą alternatywą dla klasycznych baterii litowo-jonowych, oferując większą gęstość energii, krótszy czas ładowania i dłuższą żywotność.

Czy jest jakaś alternatywa dla tej technologii?

W perspektywie rozwoju elektromobilności istnieje kilka alternatywnych technologii baterii, które mogą konkurować z bateriami półprzewodnikowymi lub je uzupełniać. Większość z nich jest jednak na etapie rozwoju, lub póki co nie prezentuje pozytywnych wyników testów.

1. Baterie litowo-siarkowe (Li-S)

• Zalety: Wyższa gęstość energii niż baterie litowo-jonowe, niskie koszty produkcji dzięki wykorzystaniu siarki zamiast kosztownych metali, takich jak kobalt czy nikiel.
• Wady: Krótka żywotność spowodowana degradacją siarki i powstawaniem dendrytów litu.

2. Baterie sodowo-jonowe (Na-ion)

• Zalety: Sód jest znacznie tańszy i bardziej dostępny niż lit, co obniża koszty produkcji. Baterie te są również mniej podatne na degradację w niskich temperaturach.
• Wady: Niższa gęstość energii niż baterie litowo-jonowe i półprzewodnikowe, co oznacza mniejszy zasięg pojazdów elektrycznych.

3. Baterie magnezowo-jonowe (Mg-ion)

• Zalety: Magnez może przenosić dwa elektrony na jon (w przeciwieństwie do litu, który przenosi jeden), co teoretycznie pozwala na większą gęstość energii. Jest także bezpieczniejszy i mniej podatny na tworzenie dendrytów.
• Wady: Wciąż na etapie badań – obecnie problemem jest niska przewodność jonowa oraz trudności z wydajnym magazynowaniem energii.

4. Baterie litowo-powietrzne (Li-air)

• Zalety: Teoretycznie mogą osiągnąć nawet 10 razy większą gęstość energii niż obecne akumulatory litowo-jonowe, dzięki wykorzystaniu tlenu z powietrza jako reagenta.
• Wady: Bardzo krótka żywotność, niska efektywność ładowania i problemy ze stabilnością chemiczną.

5. Ogniwa wodorowe (Fuel Cells)

• Zalety: Szybkie tankowanie (zaledwie kilka minut), długi zasięg i brak emisji CO₂ (jedynym produktem spalania jest woda).
• Wady: Wysokie koszty produkcji, problematyczna infrastruktura do tankowania wodoru, niska efektywność w porównaniu do baterii elektrycznych.

6. Baterie cynkowo-powietrzne (Zn-air)

• Zalety: Niski koszt, duża gęstość energii i ekologiczne materiały (cynk jest powszechnie dostępny).
• Wady: Obecnie ograniczona liczba cykli ładowania i niska wydajność konwersji energii.

7. Superkondensatory

• Zalety: Ekstremalnie szybkie ładowanie i rozładowanie, długa żywotność (nawet miliony cykli), wysoka efektywność.
• Wady: Znacznie niższa gęstość energii niż baterie chemiczne, co ogranicza ich zastosowanie jako główne źródło energii.