„Cercetarea și dezvoltarea în domeniul bateriilor este incredibil de fascinantă“

Domnule profesor Fichtner, nicio altă componentă nu este pentru o mașină electrică la fel de importantă ca bateria. Care este cea mai bună baterie în acest scop? O baterie care asigură cea mai bună combinație de capacitate de stocare, încărcare rapidă, costuri reduse, siguranță și durabilitate. Care anume este aceasta depinde de vehicul și de zona de aplicare a acestuia. În clasa de lux, contează autonomia mare. În segmentul compact, bateria trebuie să fie mult mai ieftină, dar trebuie să aibă o capacitate de stocare la fel de mare.

Spațiul pentru baterie într-un vehicul electric este limitat. Cum trebuie construit un sistem de baterii astfel încât să poată integra mai mult material de stocare de energie la aceeași dimensiune? Unii producători lucrează cu așa-numitul „Cell-to-Pack-Design“ sau „Cell-to-Body-Design“. Pe scurt, modulele bateriilor nu mai sunt compuse din celule de mărimea unei ciocolate, ci din celule de mărimea unei scânduri de podea. Aceste unități mai mari au mai puțin material de ambalare orb și oferă mai mult spațiu pentru materialul de stocare util și ating o densitate de integrare de peste 70%, în timp ce bateriile normale ajung doar la 50%. Orice producător de mașini electrice care dorește să-și dezvolte propriile baterii poate lua în considerare încă de la început aceste progrese tehnice în designul său. Pentru că nu ar trebui să ne concentrăm atât de mult doar pe celula individuală a bateriei, ci trebuie să ne concentrăm mai mult asupra modului în care putem construi celule cât mai mari și mai economice posibil.

Ce progrese vor face bateriile în următorii ani? Ne așteptăm la salturi mari în dezvoltare. În 2023, au fost anunțate primele pachete de baterii de la doi producători chinezi, care permit o autonomie de peste 1000 de kilometri. Totodată, se pare că acestea permit încărcarea pentru 700 de kilometri de autonomie în mai puțin de zece minute. Chiar și eu, ca cercetător, sunt surprins de această dinamică în dezvoltare. Acesta ar fi un mare salt în tehnologia bateriilor, care nici măcar nu se bazează pe noi soluții chimice pentru baterii, ci pe soluții de tehnologie.

Consumul de energie este adesea neglijat. Care este relația dintre încărcare și tehnologia bateriei? Da, este adevărat! Când conduci de fapt 600 de kilometri fără oprire? Prin urmare, este important ca bateriile mari să ofere posibilitatea de a fi încărcate rapid. Acesta este adevăratul argument. Dacă îți încarci bateria automobilului electric în 10 minute de la 10% la 80%, atunci motorului cu ardere internă nu îi mai rămâne niciun argument. Există materiale care pot fi încărcate mai repede și altele care pot fi încărcate doar mai lent. Din punct de vedere tehnic, ionii de litiu din baterie se deplasează de la polul pozitiv la polul negativ atunci când bateria se încarcă.

În prezent, pentru polul negativ este utilizată o structură din straturi de grafit. Există deja producători de baterii care vor să utilizeze aici un compozit de siliciu și carbon. Aceste baterii pot fi încărcate mult mai rapid, chiar și la temperaturi scăzute. Există un mare potențial de dezvoltare în ceea ce privește materialele. Numai această modificare a materialului de la polul negativ oferă 30% mai multă capacitate de stocare pentru celula per ansamblu. Sunt încă posibile salturi incredibil de mari în dezvoltare. În afară de aceasta: dacă doriți să încărcați o baterie de 60 kWh în zece minute, aveți nevoie de o sursă de alimentare pentru încărcare cu o putere de 360 kW. Acest lucru arată că în prezent limitarea provine mai puțin de pe partea bateriei, cât mai degrabă din infrastructura de încărcare.

La smartphone-uri, performanța bateriei scade semnificativ după doi sau trei ani de utilizare frecventă. Cât este durata de viață a bateriei unui vehicul electric? Bateria din smartphone este foarte diferită și este proiectată cu gândul că înlocuiți smartphone-ul după trei ani. În mașină, sistemul de management al bateriei este mult mai inteligent, iar bateria este protejată în multe moduri de supraîncălzire și de alte influențe dăunătoare, de exemplu prin gestionarea inteligentă a încărcării. Studiile efectuate pe vehicule mai noi arată că, după cinci ani, de regulă, este încă disponibilă 95% din capacitatea bateriei. Bateria de tracțiune a unui vehicul electric este proiectată pentru 2000 de cicluri complete. De exemplu: 2000 ori o autonomie de 500 de kilometri înseamnă un milion de kilometri. După aceste 2000 de cicluri complete, bateria atinge un prag de 80% din capacitate, care este considerat un criteriu pentru finalul duratei de viață a bateriei. Dar la acel moment, bateria nu este nici pe departe stricată și poate fi în continuare folosită foarte bine, de pildă, timp de încă 10 ani într-un sistem staționar de stocare a energiei instalațiilor fotovoltaice sau eoliene.

În întreaga lume iau naștere giga-fabrici de dimensiuni colosale pentru producția de baterii. Există la nivel global suficiente materii prime pentru necesarul de baterii al următorilor ani, respectiv decenii? Da, din punct de vedere cantitativ. Dar capacitățile de producție nu au fost încă ajustate pentru a răspunde cererii ce crește foarte rapid, ceea ce poate duce la blocaje în unele zone. Noi, cercetătorii, încercăm să remediem această situație, de exemplu, prin eliminarea completă a cobaltului din noile baterii și înlocuirea parțială a litiului cu sodiul în viitor, ceea ce va reduce semnificativ deficitul potențial de materii prime. În Germania, sunt planificate în prezent 11 fabrici de dimensiuni enorme pentru baterii. Acest lucru nu se întâmplă în nicio altă țară. Astfel ia naștere un potențial imens de a face ceea ce este corect. Întrebarea decisivă este: produc aceste fabrici doar celule sau se ocupă de întregul sistem?

În acest context, cât de importantă este reciclarea bateriilor uzate? Foarte importantă. Se estimează că deja aproximativ în 2034, jumătate din materiile prime necesare vor proveni din reciclare. În prezent, în Europa există 38 de fabrici de reciclare a bateriilor, care dezvoltă noi procese și își extind capacitățile. Atunci când, la mijlocul anilor 2030, vor intra în reciclare volume mari de la autovehiculele electrice, aceste fabrici trebuie să fie pregătite.

Bateria reprezintă o mare parte din costul unui vehicul electric. Ce trebuie să se întâmple pentru ca aceste costuri să se reducă? În acest scop, trebuie utilizate materii prime mai ieftine, adică materii prime disponibile în cantități mari la nivel mondial și care pot fie exploatate în condiții neproblematice. În plus, producția trebuie să dezvolte noi procese de economisire a energiei și de economisire a timpului. În plus față de trecerea la materiale mai sustenabile, reducerea costurilor este mega-trendul în producția de baterii. Această abordare este valabilă peste tot: mai puțin spațiu necesar, mai puțină energie necesară, mai puțin timp necesar. În acest sens există multe soluții în curs de dezvoltare și totul decurge mai repede decât te-ai aștepta uneori. Cercetarea și dezvoltarea în domeniul bateriilor este incredibil de fascinantă.