Un grup de oameni de ştiinţă de la Harvard a creat o baterie cu stare solidă care rezistă peste 2 milioane km şi poate fi încărcată în 10 minute

În ultimele 12 luni elaborările din domeniul bateriilor cu stare solidă se ţin lanţ, iar cele mai semnificative dintre ele ţin deja de anunţarea unei baterii gata pentru producţia de serie de la Northvolt, anunţarea construirii unei fabrici în China de către BYD pentru ele, şi a alteia în Elveţia pentru invenţia unui grup de ingineri germani, iar de curând în China a fost pus în producţie şi primul automobil de serie cu asemenea baterii, mai puţin performante, produse de o companie mai mică. De asemenea, bateria cu stare solidă StoreDot, anunţată acum 2 ani, a trecut între timp cu excelenţă testul a 1.000 cicluri de încărcare, putând fi încărcară în 5-10 minute, iar de curând şi grupul VW a anunţat că bateria QuantumScape, dezvoltată de compania unde VW e acţionar, a trecut cu bine testele de 1.000 cicluri de încărcare, sau echivalentul a 500.000 km parcurşi, având o degradare mai mică de 5%. Ei bine, acum un grup de oameni de ştiinţă de Şcoala de Inginerie şi Ştiinţe Aplicate de la Harvard, condus de profesorul Xin Li, a anunţat elaborarea unei baterii cu stare solidă cu parametri excepţional cu curioşi, care promite să reziste o durată de timp echivalentă cu 2-3 milioane de kilometri parcurşi pe un vehicul electric, şi asta în timp ce poate fi reîncărcare în doar 10 minute.

Zicem despre această nouă baterie că are parametri curioşi, pentru că merge pe o abordare uşor diferită a construcţiei. Ideea de bază a bateriilor cu stare solidă e de a înlocui electrolitul lichid sau gel dintre anod şi catod cu unul solid, de obicei din ceramică sau alt material solid. Această înlocuire trebuie să dea rezolvarea pentru principala limitare a bateriilor litiu-ion — degradarea care are loc în timp, accentuată de reprizele de încărcare rapidă.

Simplu vorbind, acea degradare se produce din cauză că la transferarea ionilor din catod în anod, o mică parte din ei se poate depune pe acel silicon al electrolitului. Cu cât mai intensă e circulaţia de ion, adică cu cât mai mare e puterea de fast charge, cu atât mai intensă poate fi această depunere, care scade în timp „impermeabilitatea” electrolitului şi duce la puteri de descărcare mai mic şi la pierderi de capacităţi. Desigur, între timp şi formulele electroliţilor au evoluat în materiale mai performante, care evită formarea dendritelor pe o perioadă mai lungă şi asigură astfel mai multe cicluri de încărcare. Dar esenţa problemei rămâne aceeaşi şi nu e o raritate să auzim despre baterii litiu-ion care au 600 cicluri de încărcare, sau 1.000, sau maxim 2-3 mii în unele cazuri cu promisiuni foarte optimiste, care sunt bazate pe ajustarea temperaturii bateriei la un diapazon când efectul depunerii dendritelor e minim.

Foto: Ilustraţie a dendritelor în interiorul stratului electrolit

Bateriile cu stare solidă, însă, vin cu un material al electrolitului care exclude aproape total depunerea dendritelor de obicei, prin natura sa solidă. Iar asta permite puteri mai mari de încărcare şi descărcare, fără a obţine efectul nedorit. Însă asta poate determina şi schimbări de conţinut în anozi şi catozi, iar majoritatea celor care elaborează aceste baterii cu stare solidă iar în calcul şi aceste schimbări.

Cea mai dorită dintre aceste schimbări ar fi renunţarea totală la litiu. Deci, bateriile cu stare solidă ar putea avea în continuare litiu, aşa cum se întâmplă la QauntumScope, de exemplu, sau StoreDot. De fapt, aceste baterii folosesc şi mai mult litiu în construcţia lor, pentru că-l utilizează şi în formă metalică pură ca separator, şi la anod. Asta dă o densitate energetică şi mai mare, StoreDot anunţând până la 500 Wh/kg către etapa de producţie, dar nu elimină folosirea litiului, ci doar a altor materiale rare, pretextul oficial fiind că litiul nu e un material atât de rar, precum cobaltul, şi poate fi extras din multe locuri din lume.

Pe de altă parte, bateriile cu sodiu promit să facă această mare schimbare de renunţare la litiu, având aceeaşi filosofie de bază a stării solide, deci a unui electrolit solid, nu lichid sau gel, dar înlocuind litiul cu sodiu. Problema e că sodiul are capacităţi chimice mult mai mici decât litiul, dar anume aici bateria cu stare solidă a celor de la Northvolt vine în ecuaţie, fiind anunţată o densitate energetică de 160 Wh/kg, deja gata pentru producţie. Pare mult mai puţin decât cei 500 Wh/kg anunţaţi de StoreDot, dar în prezent nu există baterii produse în serie de 500 Wh/kg, ci doar una anunţată de CATL pentru avioane electrice, pentru viitor. Bateriile cele mai performante de serie au între 160 Wh/kg şi 300 Wh/kg, cu unele excepţii până spre 330, deci bateria Northvolt s-ar încadra într-o marjă actuală de densitate energetică cu beneficiul uriaş al stării solide şi deci a încărcării super rapide şi rezistenţei în timp şi totodată cu beneficiul şi mai mare al renunţării totale la litiu! Deci bateria Northvolt nu mai foloseşte nici litiu, nici cobalt, nici grafit, fiind liberă de orice asemenea materiale rare şi folosind doar materiale ultra răspândite pe pământ, la fel de răspândite ca sarea, pentru că în esenţă sodiul din sare se obţine.

Şi acum, cu acest tablou complet al realizărilor din ultima perioadă din lumea bateriilor cu stare solidă, să revenim la bateria anunţată de oamenii de ştiinţă de la Harvard. Ea foloseşte litiul în construcţia sa şi are un anod realizat din litiu, deci e una din acele baterii care foloseşte şi mai mult litiu. În construcţia oamenilor de ştiinţă de la Harvard, însă, electrolitul e de stare solidă, dar în anod au fost include microparticule de silicon, care sunt înconjurate de litiul metalic ca o crustă a unei ciocolate, după cum descriu autorii invenţiei. Aceste particule cu silicon în interior şi litiu metalic în exterior ar asigura o distribuţie mai uniformă a densităţii energetice şi ar preveni formarea dendritelor la încărcare şi descărcare.

E un pic neclară metoda de încărcare şi descărcare, întrucât autorii menţionează că placarea elementelor de silicon are loc la fiecare ciclu de încărcare, ci tocmai acest proces ar fi cel care garantează un număr imens de cicluri posibile. Se mai menţionează că pe suprafaţa unde are loc placarea mai trebuie să fie prezenţi atomi de argint şi magneziu, fără se specifica rolul lor exact, dar cu siguranţă asta nu face bateria mai simplă şi mai ieftină, ci dimpotrivă, mai complexă şi mai scumpă.

În fine, cei de la Harward menţionează că bateria lor a trecut testul la 6.000 cicluri de încărcare şi a degradat doar 20%, iar 6.000 cicluri de încărcare, la o medie actuală a distanţelor parcurse între încărcări de 350-500 km la maşinile electrice ar însemna că noua baterie rezistă minim 2.100.000-3.000.000 km.

Totuşi, experimentul de testare a avut loc cu o celulă de scară mică, pentru că altfel n-ar fi existat suficient timp pentru a testat atâtea cicluri de încărcare. Iar rezultatele unei baterii mari ar putea fi uşor diferite. Oricum, singurul avantaj anunţat al acestei baterii este anume această durată de viaţă lungă de 6.000 cicluri, în timp ce construcţia e parţial lăsată în umbră, iar din ceea ce se anunţă, la această baterie se foloseşte mai mult litiu şi eventual chiar mici componente de argint şi magneziu.

Foto: Xin Li, şeful echipei care a elaborat noua baterie

Şi mai curios e că elaborarea făcută acum la Harvard de echipa profesorului Xin Li a fost cedată pentru dezvoltare ulterioară la scară mai mare companiei Adden Energy, fondată tot de profesorul Xin Li şi câţiva absolvenţi de-ai săi de la Harvard. Deci, cumva testele iniţiale au fost făcute la universitatea Harvard, cu suportul acesteia, iar când anumite succese au fost confirmate, invenţia a trecut deja în mâinile profesorului şi a echipei sale de foşti absolvenţi pentru a o duce spre maturitate la producţie de serie şi, desigur, comercializare pe piaţă.