Με την ηλεκτροκίνηση να καλπάζει ως πρακτική και προοπτική στην παγκόσμια Αυτοκινητοβιομηχανία, οι μπαταρίες είναι το βασικό στοιχείο σε ένα αυτοκίνητο. Οι συσσωρευτές τεχνολογίας solid state είναι το νέο hype στον τομέα τους.
Στην ιστορία της αυτοκινητοβιομηχανίας, τον σημαντικότερο ρόλο στον συγκεκριμένο κλάδο κρατούσαν οι κατασκευαστές κινητήρων εσωτερικής καύσης. Αυτοί είχαν τον πρώτο λόγο, καθώς οι δημιουργίες τους ήταν το σημαντικότερο τμήμα του αυτοκινήτου. Το αμάξωμα ήταν πιο εύκολο να δημιουργηθεί από κάθε μία καροσερία η οποία, όμως, είχε την ανάγκη του κινητήρα για να ολοκληρώσει και να κατασκευάσει το αυτοκίνητό της.
Τα τελευταία χρόνια, αυτή η βασική συνθήκη έχει αρχίσει να αλλάζει και η σημαντικότητα να μεταβάλλεται. Πλέον, με την άνθιση του εξηλεκτρισμού και την εκρηκτική αύξηση του αριθμού των αμιγώς ηλεκτροκινήτων μοντέλων, οι κατασκευαστές μπαταριών είναι αυτοί που εμφανίζονται στο προσκήνιο και αναλαμβάνουν πρωταγωνιστικό ρόλο στην παγκόσμια αυτοκινητική σκηνή.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι αυτές που κυριαρχούν ως τύπος στην εποχή μας, ωστόσο οι εταιρείες κατασκευής τους εξελίσσονται και προετοιμάζονται για το μέλλον. Και αυτό προορίζεται να είναι οι συσσωρευτές στερεού τύπου (ή στερεού ηλεκτρολύτη ή στερεάς κατάστασης), αυτοί που είναι γνωστοί διεθνώς ως solid state.
Ονομάζονται έτσι επειδή αφενός τα ηλεκτρόδια που διαθέτουν και αφετέρου ο ηλεκτρολύτης που υπάρχει εντός κάθε στοιχείου των μπαταριών βρίσκονται σε στερεή μορφή.
Η διαρκώς επιταχυνόμενη μετάβαση της παγκόσμιας αυτοκινητοβιομηχανίας προς την ηλεκτροκίνηση, απαιτεί μεγάλο αριθμό μπαταριών οι οποίες να έχουν σχετικά μεγάλη ενεργειακή χωρητικότητα και πυκνότητα, μικρές διαστάσεις (άρα μικρότερο βάρος), να φορτίζουν γρήγορα και να είναι οικονομικά συμφέρουσες. Και αυτού του τύπου οι συσσωρευτές τα προσφέρουν, συγκριτικά με αυτούς ιόντων λιθίου.
Τότε, γιατί δεν κατασκευάζονται και δεν τοποθετούνται στα αυτοκίνητα, θα αναρωτηθεί κάποιος. Επειδή, εκτός από τα προφανή πλεονεκτήματα υπάρχουν και μειονεκτήματα τα οποία πρέπει να επιλυθούν για να είναι συμφέρουσα (για τις εταιρείες) η παραγωγή τους.
Όπως συμβαίνει με κάθε νέα τεχνολογία, χρειάζεται ένας ικανός χρόνος εξέλιξης και μεγάλα ποσά για την επένδυση σε αυτή. Και οι μπαταρίες στερεού τύπου χρειάζονται και τα δύο ακόμα, μέχρι να μπουν σε παραγωγική διαδικασία.
Τα μειονεκτήματα των solid state μπαταριών
Σύμφωνα με έρευνες που πραγματοποιήθηκαν στο γνωστό αμερικανικό Πανεπιστήμιο MIT, διαπιστώθηκε ότι το βασικό και πιο σημαντικό πρόβλημα αφορά στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης στις μπαταρίες και όχι σε ηλεκτροχημικές διεργασίες. Αυτό έχει να κάνει με το φαινόμενο διάσπασής του. Μάλιστα, στο ίδιο συμπέρασμα κατάληξαν και οι ερευνητές των Ομοσπονδιακών Εθνικών Εργαστηρίων Sandia και Lawrence Berkeley, στις ΗΠΑ.
Από τα πειράματα όλων διαπιστώθηκε ότι τα ιόντα διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη και σταδιακά αυξάνουν τη θερμοκρασία του, δημιουργώντας μικρορωγμές. Αυτές, πολλαπλασιάζονται σταδιακά με αποτέλεσμα να προκαλούν τη θραύση του κάποια στιγμή.
Όπως διαπιστώθηκε, στις μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη η θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της λειτουργία τους είναι μεγαλύτερη από αυτή που διαπιστώνεται στις αντίστοιχες τύπου ιόντων λιθίου, ίσης ενεργειακής χωρητικότητας. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό έχει να κάνει με τον όγκο τους. Οι δεύτερες είναι, μεγαλύτερες σε διαστάσεις, συγκριτικά, συνεπώς η θερμοκρασία κατανέμεται σε ευρύτερο εμβαδόν.
Άλλο γνωστό μειονέκτημα των συσσωρευτών solid state είναι το γεγονός ότι μειώνεται ταχύτερα η χωρητικότητά τους έπειτα από συγκεκριμένο αριθμό κύκλων φόρτισής τους, συγκριτικά με ό,τι ισχύει στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτό συμβαίνει επειδή, κυρίως στον αρνητικό πόλο, σωρεύονται δενδρίτες (κρυσταλλικές συγκεντρώσεις) που επηρεάζουν την αποδοτικότητα και τη λειτουργία τους.
Επίσης, οι μπαταρίες στερεού τύπου παρουσιάζουν υψηλή εσωτερική αντίσταση στις διεπαφές των (στερεών) ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη, κάτι που επιβραδύνει τη ροή των ηλεκτρονίων, δηλαδή τη διαδικασία γρήγορης φόρτισης και εκφόρτισής τους (μπαταρίες).
Τέλος, προς το παρόν, το κόστος παραγωγής τους είναι σημαντικά υψηλότερο από το αντίστοιχο των συσσωρευτών ιόντων λιθίου, κάνοντας τη -σε βιομηχανική κλίμακα- χρήση τους ασύμφορη.
Πάντως, οι εταιρείες συνεχίζουν την έρευνα και την εξέλιξη των μπαταριών στερεού τύπου. Αυτό σημαίνει ότι κάποια στιγμή στο προσεχές μέλλον θα βρεθούν οι λύσεις στα προβλήματα θραύσης και υψηλού κόστους παράγωγης.
Άλλωστε, το ίδιο πρόβλημα (σημ.: μεγάλο κόστος) υπήρξε και στην περίπτωση των μπαταριών ιόντων λιθίου. Αυτές εμφανίστηκαν σε πειραματικό στάδιο πριν από πενήντα χρόνια και άρχισαν να διατίθενται στην αγορά πριν από περίπου τριάντα χρόνια (από τη Sony).
Στην αυτοκινητοβιομηχανία, την τοποθέτησή τους ξεκίνησε η Renault Alliance και κατόπιν η Tesla, στα αμιγώς ηλεκτρικά μοντέλα τους. Με τη σταδιακή ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης και την αύξηση πωλήσεων των αυτοκινήτων αυτής της τεχνολογίας μειώθηκε και το κόστος παραγωγής ανά μπαταρία.
Όπως μπορούμε να δούμε και στο σχετικό γράφημα, σε 14 χρόνια η μείωση έφτασε το 90%. Ενώ το 2008 ήταν στα 1.350 δολάρια ανά κιλοβατώρα, πέρυσι είχε φτάσει στα 150 δολάρια ανά κιλοβατώρα. Συνεπώς, το ίδιο θα συμβεί και με τις solid state μπαταρίες και μάλλον σε μικρότερο χρονικό διάστημα επειδή πλέον η αυτοκίνηση είναι η ηλεκτροκίνηση.
Λίγα λόγια για τις solid state μπαταρίες στερεού τύπου [tech]
Γιατί οι μπαταρίες λιθίου εκρήγνυνται και αναφλέγονται; [tech]
