Dimensiunea pieței bateriilor cu stare solidă a fost evaluată la 47,20 miliarde de dolari în 2022 și se estimează că va ajunge la 177,42 miliarde de dolari până în 2030, având rata medie de rentabilitate de 18%.
Bateriile în stare solidă sunt pe cale de a revoluționa industria de stocare a energiei.
Bateriile solid state sunt un tip de baterie care utilizează un electrolit solid în loc de un electrolit lichid pentru a transporta ioni între electrozii bateriei. Acest design solid state oferă mai multe beneficii potențiale față de bateriile tradiționale cu electroliți lichizi, inclusiv densitate mai mare de energie, încălzire redusă, timpi de încărcare mai scurți, siguranță îmbunătățită și durată de viață mai lungă.
Bateriile solid state nu conțin lichide sau geluri ca electroliți. Ionii se mișcă prin intermediul unui material solid, care poate fi un electrolit ceramic sau polimeric.
Bateriile solid state sunt considerate mai sigure și mai stabile decât bateriile cu electroliți lichizi, fără riscul scurgerilor sau al exploziilor, deci sunt ideale pentru electronicele de consum și în vehiculele electrice.
Bateriile solid state sunt în curs rapid de dezvoltare, având potențialul de a revoluționa industria bateriilor. Unul dintre avantajele cheie ale bateriilor solid state este capacitatea lor de a stoca mai multă energie într-un volum mai mic, facilitând dezvoltarea unor dispozitive mai mici și mai ușoare, cu o durată de viață mai mare a bateriei.
Bateriile solid state se pot încărca mai repede decât bateriile tradiționale, existând modele capabile să se încarce complet în doar câteva minute. Există diverse abordări tehnologice în dezvoltarea bateriilor, pe bază de oxizi, sulfuri și polimeri cu variații în fiecare categorie. Electroliții sulfurați au avantajele unei conductivități ionice ridicate – mai bune decât electrolitul lichid – temperatură scăzută de procesare și o largă stabilitate electrochimică. Problema de fabricație e produsul secundar toxic, hidrogenul sulfurat. Totuși, sistemele cu polimeri sunt acum ușor de fabricat și compatibile cu instalațiile de producție existente. Șansele bateriilor solid state de a prelua primul loc în fața bateriilor Li-ion depind în mare măsură de creșterea cererii industriei EV (Vehicule Electrice) care să ducă la rentabilizarea costurilor de fabricație.
Producerea de baterii cu stare solidă pe scară largă, deși dificilă și costisitoare, se dezvoltă prin investiții publice.
Notă. Top 8 companii de baterii cu stare solidă în 2023
- Solid Power
- QuantumScape
- Ampcera
- BrightVolt
- ProLigium Technology
- Toyota
- Ilika Plc.
- Cymbet
Solid Power este unul dintre cei mai importanți dezvoltatori de baterii cu stare solidă pentru EV. Bateriile sale sunt cu 50% mai dense energetic în comparație cu bateriile Li-ion. Bateriile Solid Power pot alimenta și dispozitive precum electronice portabile, avioane și sateliți.
QuantumScape este o companie publică, lider în industrie, care dezvoltă baterii cu stare solidă pentru EV, ce furnizează nivel mare de energie, cât și densitate mare de energie. Compania cu sediul în San-Jose este susținută de Bill Gates, Volkswagen, Continental AG și George Soros, printre alți investitori importanți.
Tehnologia bateriei cu stare solidă de la QuantumScape este în prezent cea mai avansată. Prototipul său de baterie se încarcă până la 80% din capacitate în 15 minute, fiind „mai rapid în comparație cu bateria convențională sau cu abordările alternative cu stare solidă”.
Toyota este un jucător important în dezvoltarea tehnologiei bateriilor cu stare solidă, pentru vehiculele electrice. Compania este lider, cu peste 1.000 de brevete de baterii cu stare solidă.
În 2019, Toyota și Panasonic au anunțat că formează o societate mixtă, Prime Planet Energy & Solutions Inc., cu scopul de a dezvolta și produce în serie baterii cu litiu cu stare solidă.
Problematica bateriilor Li-ion
Bateria convențională cu Litiu-ion vs. bateriile cu stare solidă Litiu-ion
Bateriile Li-ion sunt larg utilizare în dispozitivele electronice, dar există probleme asociate.
Degradarea: Ciclurile de încărcare / descărcare și temperaturile ridicate duc la scăderea capacității și a duratei de viață a bateriei. De exemplu, pentru curenții de încărcare / descărcare cu niveluri 0.5C/0.5C @ 21 ±2°C, speranța de viață este de minim 300 cicluri, la descărcări până la 70% din capacitatea C.
Durata de viață: Depinde de mai mulți factori, cum ar fi solicitări mari de putere, încărcare și variații de temperatură. Bateriile Li-ion actuale pot atinge o durată de viață de aproximativ 500-1000 de cicluri de încărcare / descărcare, dar capacitatea lor de stocare se reduce liniar, semnificativ. Temperaturile ridicate accelerează degradarea bateriei. O baterie Li-ion de calitate poate dura între 2 și 5 ani, în funcție de regimul de utilizare și de mediu.
Supraîncălzirea: Bateriile Li-ion se pot supraîncălzi la încărcare rapidă sau descărcare prin solicitări mari de curent, care duc la degradarea bateriei, explozie sau incendiu. Gama optimă de funcționare în care bateria oferă capacitatea maximă și durata de viață mare, este 20 … 25°C.
Bateriile din vehiculele electrice sunt amplasate într-o cutie sigilată în partea de jos a mașinii și sunt conectate la un sistem de răcire forțată cu lichid sau cu aer. Astfel, se menține temperatura bateriilor într-un interval de 20 … 30°C, când bateria se încarcă sau se descarcă. Sistemele de răcire forțată extrag căldura și mențin temperatura bateriilor la un nivel optim. Dar, consumă energie tot din baterie.
Probleme de siguranță: Bateriile Li-ion pot fi periculoase dacă sunt utilizate necorespunzător. Respectați instrucțiunile producătorului cu privire la montare, utilizare, regimuri de lucru și depozitare.
Pierderi de performanță în medii reci: Bateriile Li-ion au performanță redusă la temperaturi scăzute. Durata de viață a bateriei scade, iar încărcarea e incompletă.
Probleme de compatibilitate: Bateriile Li-ion trebuie să fie compatibile ca tensiunea și rata de descărcare ale dispozitivului electronic în care sunt utilizate.
Notă. Prima cea mai mare baterie Li-ion din lume este bateria Hornsdale Power Reserve din Australia. Instalația inițială construită de Tesla din 2017 a fost cea mai mare baterie Li-ion din lume, având acum o capacitate de stocare de 193,5 MWh. Stochează energie electrică de la turbine eoliene și panouri solare din regiunea Hornsdale și o furnizează când cererea de energie este mai mare decât producția.
Pe primul loc, din august 2020, este bateria Li-ion Gateway Energy Storage, din Otay Mesa – San Diego, California. Utilizează celule de la firma LG Chem, având o capacitate de stocare de 250 MWh.
Problematica bateriilor solid state
Tehnologia bateriei solid state folosește material ceramic solid în loc de electroliți lichizi pentru a transporta curentul electric, făcând bateriile mai ușoare, mai rapid de încărcat și, în final, mai rentabile.
O baterie cu stare solidă poate stoca mai multă energie cu mai puține materiale și, la fabricație, reduce amprenta de carbon a unei baterii EV cu 24%.
Notă. O nouă baterie solid state ce poate reține cu 72% mai multă energie în greutate și cu 95% mai multă energie în volum, decât bateriile comerciale cu Li-ion a fost anunțată de University of Texas at Austin. (Detalii în jurnalul online Advanced Materials, 23 februarie 2023,).
Bateriile cu stare solidă necesită cu până la 35% mai mult Litiu decât tehnologia actuală a bateriilor Li-ion, dar folosesc mult mai puțin grafit și cobalt.
Noile metode de exploatare, prin extragerea litiului cu sonde geotermale, au un impact semnificativ mai mic asupra climei decât mineritul utilizat frecvent, ce extrage litiul din roci dure.
TDK CeraCharge – baterie cu stare solidă reîncărcabilă SMD
- Dimensiune EIA 1812
- Gamă temperatură: -20°C la +80°C
- Peste 1000 de cicluri de reîncărcare
- Plasare și procesare cu tehnici de lipire prin reflow
- Electrolitul ceramic solid exclude riscul de scurgere, incendiu, explozie
Aplicații: Dispozitive IoT, contoare inteligente, controlere PLC, senzori pentru casă inteligentă, ceasuri în timp real (RTC).
TDK ATL Baterie Li-ion Model 6860C5. Tensiune 3,0 … 4,25V, capacitate ≥6800 mAh, Energie ≥ 235Wh/Kg, Dimensiuni 6,66×60×125 mm, Capacitate ≥ 99% @500 cicluri @ 25°C.
Aplicație: drone.
Tensiunea unei celule de baterie cu stare solidă depinde de compoziția chimică a electrozilor și a electrolitului solid utilizat. Fiind în stadiul de cercetare – dezvoltare și a producției în masă, nu există o valoare standardizată pentru tensiunea unei celule de baterie solid-state. Prin stabilizarea mecanic-constrictivă (presiune) a materialelor pentru catod s-a ajuns la tensiune de operare de până la 9V. Stabilitatea tensiunii electrolitului solid până la 10 V se realizează cu degradare minimă, cu mult peste capacitatea electroliților organici lichizi (max.4,5V). Tensiunea mare ar duce în utilizare la un curent scăzut, deci înseamnă un avantaj pentru cablarea cu fire din cupru mai subțiri în conexiunile din EV.
Bateriile cu stare solidă nu necesită întreținere. Nu este risc de scurgeri de electrolit, au bună stabilitate termică și o durată de viață mai lungă. Bateriile solid state se încălzesc mai puțin decât bateriile cu electroliți lichizi în timpul încărcării și descărcării fiindcă electroliții solizi au o conductivitate termică mai mică decât cei lichizi.
Principalele probleme care apar la fabricația bateriilor cu stare solidă
Producția de materiale: Materialele utilizate în bateriile cu stare solidă au proprietăți electrice, termice și mecanice specifice. Ele trebuie produse în cantități suficiente și la costuri reduse pentru a face tehnologia rentabilă comercial.
Procesarea materialelor: Procesele de prelucrare a materialelor trebuie să fie scalabile și realizate la costuri reduse.
Designul și fabricarea electrozilor: Electrozii trebuie să aibă o suprafață mare pentru a maximiza densitatea de energie a bateriei și să fie stabili în timpul ciclurilor de încărcare și descărcare a bateriei.
Solid Power produce o celulă de baterie litiu-ion cu stare solidă de 20 Ah pe o linie pilot de mare volum, folosind echipamente standard în industrie. Celulele Solid Power pe bază de sulfuri oferă peste 50% mai multă densitate energetică. Celulele au fost validate de BMW Group și Ford în anul 2020, iar ambele companii au primit celule de 100 Ah, la scară largă, pentru testarea calificării auto și dezvoltarea viitoarelor vehicule începând cu 2022.
Fabricarea electrolitului: Electrolitul solid trebuie să asigure conductivitatea ionică adecvată și o rezistență electrică scăzută. Electrolitul trebuie să fie stabil chimic și termic și să nu producă reacții periculoase.
Fabricarea celulelor: Celulele au forma constructivă care să asigure o durată de viață lungă și o siguranță mare.
Costul producției: Fabricarea bateriilor cu stare solidă este încă relativ costisitoare în comparație cu bateriile cu electroliți lichizi, dar avantajele sunt mari.
Toyota. Prototip de baterie auto cu stare solidă; poate alimenta vehiculul electric până la 480 km (300 mile) cu o singură încărcare și se reîncărcă complet în doar 10 minute. Toyota va produce baterii cu stare solidă în cantitate suficientă sau la un preț suficient de mic pentru a fi competitivă.
Notă. Tipuri de baterii Li-ion în EV. Bateriile vehiculelor electrice nu sunt toate la fel.
Diferitele tehnologii ale bateriilor au avantajele și dezavantajele lor.
NMC/NCA: densitate energetică mai bună și performanță pe vreme rece, dar mai scumpe.
LFP: mai ieftine, mai durabile, mai sigure și au viață mai lungă, dar sunt mai grele și acoperă o distanță mai mică.
(Baterii: Li-NMC – Nickel-manganese-cobalt; Li-NCA – Nickel-cobalt-aluminium; LFP – Lithium-ferro-phosphate).
Vehicule Electrice (EV – Electric Vehicle). Întrebări: Costul bateriei? Randamentul?
Costul bateriei. În general, costul bateriei poate reprezenta între 30% și 50% din costul total al mașinii electrice, în funcție de model. Deși costul bateriilor a scăzut în ultimii ani, acestea încă rămân, relativ, scumpe în comparație cu alte componente ale EV, cum ar fi motorul electric sau șasiul.
Randamentul unui EV. Ca și la motorul pe benzină poate varia în funcție de: modul de conducere, condițiile de mediu, performanțele vehiculului, caracteristicile tehnice și altele.
Vehiculele electrice sunt considerate mult mai eficiente decât cele cu motor pe benzină, fiindcă o parte mai mare din energia bateriilor mișcă vehiculul. Vehiculele cu motor pe benzină pierd o mare parte din energie prin procese de ardere și prin fricțiune.
Conform unui studiu al Departamentul de Energie al SUA, randamentul vehiculelor electrice este de aproximativ 60-80%. Randamentul vehiculelor cu motor pe benzină este de aproximativ 20-30%.
Vehiculele electrice nu emit gaze de eșapament și sunt mai silențioase decât cele cu motor pe benzină, deci se reduc poluarea și zgomotul în mediul urban.
Cu toate acestea, există anumite situații în care un vehicul cu motor pe benzină poate avea un randament mai bun decât unul electric, cum ar fi în condiții de drumuri lungi, în zone greu accesibile sau în medii foarte reci.
În sistemele solare fotovoltaice, se folosesc de obicei baterii de stocare a energiei pentru a păstra energia electrică generată de panourile solare în timpul zilei, astfel încât să poată fi utilizată mai târziu, când soarele nu mai strălucește sau când cererea de energie este mai mare.
Cele mai comune tipuri de baterii folosite în sistemele solare fotovoltaice sunt bateriile Pb-acid (nu de tip auto) și bateriile Li-ion. Bateriile Pb-acid sunt mai ieftine și disponibile într-o varietate de dimensiuni și capacități, dar durata de viață e mai scurtă, sunt grele și mai puțin eficiente decât bateriile Li-ion.
Bateriile Li-ion sunt mai scumpe, dar mai eficiente și au o densitate mai mare a energiei, ceea ce le face ideale pentru aplicațiile solare unde spațiul și greutatea sunt critice.
Bateriile Li-ion se pot recicla. Procesul de reciclare a bateriilor Li-ion implică extragerea metalelor prețioase, cum ar fi litiul, cobaltul și nichelul, din celulele bateriilor și reutilizarea acestora.
Reciclarea bateriilor Li-ion are beneficii: (1) reduce cantitatea de deșeuri electronice care ajung în depozite de deșeuri și în mediu; (2) reduce atât dependența de sursele de materii prime cât și costurile de producție pentru bateriile noi.
Procesul de reciclare a bateriilor Li-ion este complex și costisitor. De aceea, producătorii și utilizatorii de baterii iau în considerare reciclarea, încă de la proiectarea și utilizarea bateriilor.
Producători auto, precum Volkswagen, oferă bateriile scoase din uzul EV ca „bancă de putere”
Celulele cu litiu degenerează destul de liniar, până coboară la 75% (ducând la o reducere vizibilă a autonomiei unui EV) – acestea mai pot fi funcționale câțiva ani, dar au o capacitate redusă.
La un EV, greutatea suplimentară fără putere înseamnă o reducere a autonomiei. Dar pentru o casă, este logic de reutilizat acele celule într-un „power bank” – mai ales că cerințele majorității caselor sunt mult mai mici decât în cele mai bune vehicule electrice.
Multe case folosesc 10 Kwh pe noapte sau mai puțin, iar un acumulator de 100 Kwh de mașină, chiar și la 75% din capacitatea sa inițială, va alimenta o casă chiar o săptămână.
Utilizarea casnică e puțin solicitantă (acumulatorul „uzat” extras din EV va dura mai mult în noul său rol de „power bank”), plus că permite reutilizarea de baterii vechi, fără a fi nevoie de o „reciclare completă”.
Nu există o singură firmă care să producă cele mai bune baterii în general, deoarece există multe tipuri diferite de baterii și aplicații în care acestea sunt utilizate.
Tesla este unul dintre liderii în dezvoltarea și producția de baterii pentru mașini electrice. Compania a dezvoltat propriul său sistem de baterii Li-ion, numit “Tesla Battery”, care utilizează o combinație de tehnologii avansate, inclusiv celule de baterie de înaltă densitate și sisteme de gestionare inteligentă a bateriilor.
Bateriile pentru aplicații solare. Există o serie de producători cu renume care oferă o gamă largă de soluții de stocare a energiei solare, inclusiv LG Chem, Panasonic, BYD, Tesla și multe altele.
În general, calitatea și performanța bateriilor depind de multe variabile, iar decizia de a utiliza o anumită marcă sau model de baterie depinde de necesitățile specifice ale fiecărei aplicații și de preferință.
În Europa există mai mulți producători de baterii Li-ion de renume, printre care se numără:
• Northvolt – companie suedeză, producătoare de baterii Li-ion de înaltă performanță pentru aplicații industriale și de transport.
• BMZ Group – companie germană producătoare de baterii Li-ion pentru aplicații industriale, medicale și de mobilitate electrică.
• Saft – companie franceză, specializată în baterii Li-ion și alte tehnologii avansate de stocare a energiei pentru aplicații industriale și de transport.
• ACCUMALUX – companie belgiană producătoare de baterii Li-ion pentru aplicații industriale și medicale.
• Leclanché – companie elvețiană producătoare de baterii Li-ion pentru aplicații de stocare a energiei și de mobilitate electrică.
Acești producători de baterii Li-ion din Europa dezvoltă și produc baterii de înaltă performanță, cu durată de viață lungă și un randament ridicat. Bateriile sunt utilizate în aplicații industriale, stocarea energiei regenerabile, echipamente medicale și transport electric.
TDK Corporation produce și comercializează o gamă largă de baterii și acumulatori pentru diverse aplicații. TDK este cunoscut în principal ca un producător de componente electronice și electromagnetice, dar compania are, de asemenea, o divizie de baterii care produce și comercializează baterii sub brandul TDK.
Bateriile Li-ion sunt fabricate de Amperex Technology Limited (ATL), o companie a TDK Corporation. Aceste baterii sunt, în principiu, produse personalizate.
Jauch – Soluții personalizate de baterii, conform specificațiilor individuale. Are sistem de management al bateriei ce garantează funcționarea sigură și fiabilă.
Firma Jauch (Germania) produce și comercializează baterii Li-ion eficiente energetic, durabile și fiabile pentru diverse aplicații. Bateriile Li-ion de la Jauch sunt disponibile în diferite dimensiuni și capacități, de la baterii miniaturale, până la baterii mari pentru aplicații industriale și de stocare a energiei. Jauch oferă și baterii personalizate și soluții de sistem de stocare a energiei solare și eoliene, vehicule electrice, dispozitive medicale și altele.
În general, Jauch este considerat un producător de încredere în domeniul bateriilor Li-ion și are o reputație solidă în industrie pentru calitatea produselor și serviciilor oferite clienților săi.
Referințe:
- https://www.openpr.com/news/2644467/solid-state-battery-market-key-segment-key-companies-growth
- https://www.energymonitor.ai/tech/ev-manufacturers-increasingly-turning-to-solid-state-batteries-appleyard-lees
- https://www.dnv.com/to2030/technology/are-solid-state-batteries-the-holy-grail-for-2030.html
- https://ai4beginners.com/solid-state-battery-companies
- https://pveducation.org/pvcdrom/battery-characteristics/battery-capacity
- https://spectrum.ieee.org/tag/solid-state-batteries
- https://www.transportenvironment.org
- https://zecar.com/resources/what-are-lfp-nmc-nca-batteries-in-electric-cars
- https://www.atlbattery.com/en/details.html?product=uav
TDK este un furnizor global și lider recunoscut al produselor de conversie a puterii potrivite pentru multe aplicații, industriale și energetice, medicale și asistență medicală, testare și măsurare, semifabricate și TIC/difuzare.
Constantin Savu
Director General – Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor al produselor TDK și Jauch
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro