Jakie akumulatory znajdą się w samochodach przyszłości?

Czytając ten materiał w pięć minut dowiesz się m.in. ile kosztują i ile będą kosztować baterie samochodów oraz jakie rodzaje akumulatorów trakcyjnych są stosowane obecnie, a jakie znajdą się w samochodach w przyszłości.Jedną z ważniejszych barier ograniczających zainteresowanie samochodami elektrycznymi jest cena pojazdów, którą w dużej mierze kształtuje koszt akumulatorów trakcyjnych, zwanych potocznie bateriami. Mimo że silnik i system przeniesienia napędu są w pojeździe elektrycznym około dwukrotnie tańsze niż w spalinowym, to jednak problemem jest wysoki koszt baterii, który może stanowić 30-40% wartości pojazdu. Na wysokie koszty wpływają nie tylko ceny pierwiastków potrzebnych do ich produkcji, ale i technologii, w tym niezwykle kosztownych w opracowaniu systemów zarządzania bateriami BMS (Battery Management System) i ich temperaturą.

Na obniżenie cen samochodów elektrycznych przede wszystkim ma wpływ spadek cen akumulatorów trakcyjnych. Jeszcze niedawno stanowiły one 60% finalnej ceny pojazdu, obecnie jest to ok. 30%, a w ciągu kilku lat będą stanowić mniej niż 20%. Według raportu Bloomberg “Electric Vehicle Outlook 2020”, w ostatnim dziesięcioleciu ceny powszechnie wykorzystywanych baterii litowo-jonowych spadły o 90%, z 1100 dolarów za 1 kWh, do ok. 137 dolarów obecnie. Baterie budowane bezpośrednio dla przemysłu motoryzacyjnego są jeszcze tańsze, mogą kosztować ok.126 dolarów za 1 kWh, a w Chinach pakiety baterii przeznaczone dla autobusów już osiągnęły cenę 105 dolarów/1 kWh. Psychologiczną barierę cenową 100 dolarów/1 kWh dla producentów motoryzacyjnych w Europie uda się pokonać w ciągu półtora roku. Na tym nie koniec. Ceny będą spadać nadal osiągając prawdopodobnie poziom 58 dolarów za 1 kWh ok. 2030 roku. W tym czasie będą upowszechniać się znacznie bardziej zaawansowane akumulatory półprzewodnikowe, których ceny mają osiągnąć w 2030 roku poziom ok. 90 dolarów za 1 kWh. A więc już będą wyraźnie tańsze niż baterie litowo-jonowe obecnie.

Spadek cen baterii będzie miał przełożenie na obniżenie cen nowych samochodów. Obecnie przeciętny samochód elektryczny na świecie kosztuje ok. 33 tys. Euro, przed opodatkowaniem, podczas gdy pojazd benzynowy 18,6 tys. Euro. Według BloombergNEF zrównanie się ich cen ma nastąpić już w 2027 roku, kiedy średnia cena dla obu rodzajów napędów ma wynieść ok. 19 tys. Euro.

We współczesnych samochodach elektrycznych dominują akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion). Ich zaletami są m.in. względnie wysoka gęstość energii (250 Wh/kg) przy akceptowalnej masie, zdolność do pracy w umiarkowanych temperaturach (-30˚C/+60˚C) oraz brak efektu pamięci. Są one właściwie bezobsługowe, mają niską skłonność do samorozładowania, dobrze znoszą szybkie ładowanie oraz wytrzymują bez problemów ponad 1000-1500 cykli ładowania. Lit, najlżejszym pierwiastek w stanie stałym, lżejszy od wody, zyskał taką popularność ponieważ wyjątkowo chętnie oddaje elektrony z racji niestabilnego jądra atomowego. Jego wadą jest właśnie reaktywność, a więc i łatwopalność. Musi być więc specjalnie traktowany i znajdować się w atmosferze gazów obojętnych lub specjalnych olejach mineralnych. Akumulatory litowo-jonowe są przechowywane w warunkach hermetycznych w pancernych obudowach, a do tego nieustannie muszą być kontrolowane przez system chłodzenia i ogrzewania TMS (Thermal Management System). W samochodzie elektrycznym znajduje zastosowanie ok. 1 kg czystego litu na każde 5 kWh baterii. Wspomniana gęstość energii (250 Wh/kg) oznacza, że realne okazują się zasięgi na poziomie 500 km przy wykorzystaniu baterii trakcyjnych o pojemności 100 kWh. W dużym uproszczeniu przejechanie 1 kilometra wymaga zużycia energii zawartej w 1 kg baterii, a więc by przejechać 500 km, np. musiałby on posiadać na pokładzie i półtonowy balast w postaci baterii, które mogą stanowić trzecią część masy samochodu. Rozwinięciem baterii litowo-jonowych są baterie litowo-jonowo-polimerowe (Li-Po) stosowane m.in. przez producentów koreańskich. Dzięki polimerom mają one elastyczną strukturę i łatwiej dopasować je w modułach. W modelach Hyundai i Kia nie posiadają one zewnętrznej obudowy uniemożliwiającej cyrkulację ciepła. Zarządzanie temperaturą i jej utrzymanie jest łatwiejsze. One również nie mają efektu pamięci, nie ulegają rozładowaniu i są bezobsługowe. Mniejsza popularność mają baterie litowe SCB oferowane przez Toshibę i stosowane przez Mitsubishi i Mazdę. Charakteryzują się one krótkim czasem ładowania, niską temperaturą pracy oraz większą gęstością energii niż baterie litowo-jonowe. Producenci tacy jak Tesla i BYD stosują również baterie litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4). Ich zaletą są niskie ceny, minimalne spadki napięcia oraz wysokie bezpieczeństwo użytkowania.

Obserwujemy konsekwentny wzrost średniej gęstości energii w bateriach o 4-5% rocznie, co wynika z zastosowania nowych technologii i związków chemicznych. Współczesne baterie w coraz mniejszym stopniu wykorzystują pierwiastki ziem rzadkich, a więc będzie malało ryzyko narzucania cen na surowce potrzebne do produkcji akumulatorów trakcyjnych. W perspektywie kilku lat popularność zyskają dwa kolejne rodzaje baterii, które w sposób wyraźny mogą odmienić rynek samochodów elektrycznych. Pierwszymi z nich są baterie litowo-jonowe NMC 811, które już wkrótce będą upowszechniane w motoryzacji. Charakteryzują się one większą gęstością energii (275 Wh/kg) niż klasyczne baterie litowo-jonowe, a tym samym proporcjonalnie większymi zasięgami. Gęstość energii będzie w nich nadal wzrastać i szacuje się, że do 2030 roku osiągnie poziom 300 Wh/kg. Drugą ważną technologią będą akumulatory półprzewodnikowe ze stałym elektrolitem (solid state battery), które charakteryzują się niemal dwukrotnie większą gęstością energii (400 Wh/kg) niż obecne baterie stosowane w motoryzacji oraz bardzo długą żywotnością. Już w 2025 roku mają one uzyskać gęstość energii na poziomie 450 Wh/kg, a pięć lat później nawet 500 Wh/kg. Mogą pojawić się więc samochody oferujące dwu-, trzykrotnie większe zasięgi niż obecnie, na poziomie 800-1000 km, z tej samej objętości baterii. Z racji wysokich cen akumulatorów ze stałym elektrolitem upowszechnią się one najpierw w samochodach premium. Zastosowanie tych akumulatorów niekoniecznie musi oznaczać znaczne wydłużenie zasięgu pojazdów. Producenci najprawdopodobniej będą stosować mniejsze niż dotąd zestawy baterii, by zmniejszyć masę pojazdów, poprawić ich parametry użytkowe oraz obniżyć ceny. Z dużym prawdopodobieństwem upowszechnią się więc realne zasięgi na poziomie 600-800 km.

**Czy wiesz że:

Ilość energii jaką zawiera litr benzyny wynosi 9000 Wh/l. Nowoczesna bateria litowo-jonowa mieści w tej objętości zaledwie 650-700 Wh/l, a supernowoczesne baterie z elektrolitem stałym w najbliższych latach osiągną poziom 1000 Wh/l.**