Zpět

Jednoduchá změna v použitých materiálech by mohla vést nejen k výraznému zvýšení hustoty energie baterie, ale také ke snížení hmotnosti baterií. Americká firma Group14 přišla na nový způsob výroby křemíkového prášku.

Ceny zůstávají pro většinu trochu vysoké, ale elektrická vozidla se v posledních několika letech stala skutečným mainstreamem. Úsilí je v současné době zaměřeno na řešení velkého množství nevyřízených objednávek, ale pořád jsou zde také nepolevující kroky vedoucí ke zlepšování technologií.

Chcete-li přilákat další vlnu uživatelů – kteří ještě nebyli v pokušení jako první uživatelé nebo technologičtí nadšenci – budou se elektromobily muset nabíjet rychleji, jezdit dále a stát méně. Nové chemické složení baterií slibuje průlom na všech frontách, zvyšuje hustotu energie a umožňuje dokonce menší a lehčí baterie, což dále snižuje cenu za kilowatthodinu.

Křemík v tomto ohledu přitahuje velkou pozornost nejen na akademické půdě a u bateriových společností, ale také ze strany začínajících hráčů. Americká firma Group14 představila nový způsob výroby křemíkového prášku, který může nahradit stávající povlaky grafitových anod. Group14 začala před deseti lety prací na start/stop bateriích, ale od té doby se rozšířila a zaměřila se na vysokonapěťové lithium-iontové baterie používané v elektromobilech.

Mikronizovaný křemík se vyrábí ve formě černého prášku, kterým lze snadno nahradit grafit používaný u dnešních bateriových anod.

Elegantní řešení

Ve spolupráci s raným investorem – chemickým gigantem BASF – Group14 komercializovala SCC55, prášek z křemíku a uhlíku, který lze snadno „vložit“ a doplnit nebo nahradit jiné materiály.

„SCC55 využívá sílu křemíku jako anodového materiálu k doplnění nebo nahrazení grafitu v lithium-iontové baterii,“ vysvětluje Rick Costantino, technologický ředitel společnosti Group14. „Je to černý prášek, který můžete nahradit ve výrobních linkách baterií a dosáhnout až 50% zlepšení energetické hustoty baterie. Říkáme jim křemíko-lithiové baterie, abychom uznali, že jde nyní o jinou chemii než vaše klasické lithium-iontové baterie.“

A s pouhými dvěma primárními výrobními fázemi je výroba produktu relativně jednoduchá, alespoň pro Group14 s patentovaným výrobním procesem. „Místo toho, abychom se pokoušeli vzít křemík a potáhnout ho uhlíkem nebo jej rozdrtit, abychom získali správnou strukturu, vytvoříme uhlík jako šablonu – nebo lešení, jak tomu říkáme,“ říká Costantino. “Pak můžeme vzít to uhlíkové lešení a vytvořit v něm křemík.” Prvním krokem je vytvoření uhlíku procesem, který Group14 nazvala dryrolýza, ekologický proces bez rozpouštědel, říká společnost. Poté, co je vyrobeno toto porézní uhlíkové lešení, je křemík uvnitř této částice tvořen siligenezí, která zahrnuje chemický rozklad plynu obsahujícího křemík. “Je to docela elegantní proces,” poznamenává Costantino.

Materiál je také vysoce škálovatelný a lze jej vyrábět v průmyslových objemech – tisíce tun ročně. Hlavní základna Group14 se nachází kousek od Seattlu, kde v současné době provozuje zařízení s kapacitou 120 tun ročně, ale společnost také vytvořila společný podnik s jedním ze svých hlavních investorů, SK Materials, na vybudování továrny v Koreji, která umožní SCC55 vyrábět v mnohem větším měřítku.

Group14 nedávno oznámila strategické partnerství s izraelským StoreDot, společností, která se zaměřuje na to, co nazývá technologiemi extrémního rychlého nabíjení (XFC) pro elektrická vozidla. Ve StoreDot navrhli bateriový článek, který využívá křemíkovou dominantní anodu, která umožňuje zrychlené nabíjení. Jejich nedávné aktivity se soustředily na řešení pro elektrické skútry, ale společnost také sleduje automobilový trh. Costantino nemohl jít do specifik, ale vysvětlil, že dohoda by umožnila, aby dvojice fungovala mnohem blíže, než by umožňoval tradiční dodavatelský vztah.

„Nezajímá nás pouze předání našeho materiálu a umožnění zákazníkovi, aby na to přišel sám – preferovali bychom iterativní vztah,“ vysvětluje. „Chceme se zaměřit na výrobu nejlepšího materiálu pro baterie na světě a necháme společnosti jako StoreDot vyrábět ty nejlepší baterie na světě.“

Zvýšení rychlosti, kterou se může elektromobil nabíjet, je pro spokojenost uživatelů prvořadé.

Výhody

Křemíkové anody slibují pro elektromobily různé výhody, přičemž nejžádanější je lepší dojezd a rychlejší nabíjení. Existují však i další aspekty, jako je lepší výkon v chladném počasí a delší životnost baterie.

Group14 spolupracovala s výrobcem baterií podporovaným Mercedes-Benz Farasis Energy na vývoji bateriových článků využívajících křemíkový materiál od Group14, který hlásí 25% nárůst hustoty energie. To by umožnilo hustotu 330 watthodin na kilogram (Wh/kg), což je daleko nad hustotou energie 260 Wh/kg, kterou lze očekávat od typické grafitové anodové baterie. Group14 má také probíhající program s ministerstvem energetiky USA, kde bylo dosaženo zlepšení hustoty energie o 35 %. “A v ostatních programech máme až 50% zlepšení, ale o tom nemohu příliš mluvit,” řekl Costantino.

A co je důležité, křemík by měl prodloužit životnost baterie u elektromobilů, což znamená, že obavy ohledně životnosti vozidla jsou méně závažné. Stejně jako u smartphonu, notebooku nebo jakéhokoli jiného zařízení využívajícího lithium-iontovou baterii se dostupná kapacita baterie časem snižuje. U notebooku to může znamenat, že doba provozu může být o několik hodin kratší. V elektromobilu baterie ztrácí desítky kilometrů dojezdu. U některých prvních modelů může být degradace baterie tak vážná, že vozidlo ztratí více než polovinu svého původního dojezdu. Použitím křemíku lze toto zhoršování zpomalit.

„V typickém automobilovém kontextu chcete mít stabilitu v řádu 1000 nabíjecích cyklů, nebo alespoň v řádu minimálně 500 cyklů. V tomto programu Farasis dosahujeme stability po více než 1500 cyklech,“ zdůrazňuje Costantino. A vzhledem k tomu, že tyto baterie na bázi křemíkové anody již mají pro začátek lepší hustotu energie, je degradace méně působivá, než by jinak mohla být. „Pokud začínáme s o 50 % vyšší hustotou energie,“ vysvětluje, „dokonce i po ztrátě 20 % v průběhu času máte stále asi o 30 % větší dojezd, než kdybyste měli standardní lithium-iontovou baterii na bázi grafitu.“

Více všeho

Group14 si klade za cíl urychlit zavádění technologií křemíkových baterií potenciálním licencováním svých výrobních metod dalším výrobcům, včetně výrobců automobilů, dodavatelů Tier 1 a hlavních výrobců baterií. To by se mohlo ukázat jako důležitý prvek zejména pro výrobce automobilů, kteří hledají vertikálně integrované dodavatelské řetězce kolem elektromobilů – s vlastní výrobou baterií a polovodičů. „Máme skutečný modulární přístup k našemu výrobnímu závodu na klíč a mohli bychom spolupracovat s automobilkou na licenci této technologie,“ potvrzuje. „Pokud chtějí vertikálně integrovat jeden z modulů do svého závodu, můžeme to udělat. Jsme totiž otevřeni všem možným diskuzím na tato témata.“

V budoucnu se mohou výrobci automobilů rozhodnout přidat malé množství materiálu od Group14 do směsi anody, aby dosáhli mírného zvýšení výkonu. Jiné mohou zcela přejít na anody na bázi křemíku a grafitu se zcela vyhnout. Costantino konec konců vidí světlou budoucnost pro Group14, která se posouvá vpřed, protože rozšiřuje výrobu a nachází cestu na masový trh. Prodeje elektromobilů nadále rostou. V současnosti je více než 90 % všech prodejů se přiznáváno vozům se spalovacím motorem, takže zůstává dostatek prostoru pro růst. „Automobilový průmysl je obrovskou součástí trhu,“ poznamenává. „Každý se již dlouhou dobu zajímá o využití křemíku jako anodového materiálu. Právě teď máme desítky zákazníků v různých fázích, kteří získávají nárok na tento materiál po celém světě.“

A protože může být materiál “vložen” dovnitř, může tento přechod přijít rychle a ve velkém měřítku. Z továrny na baterie s jedním gigawattem by se mohla přes noc stát továrna na 1,5 gigawattu, uzavírá Costantino. Je to skoro jako vyměňovat stará zrna v kávovaru, říká: „až na to, ze v tomhle případě by vaše káva měla o 50 % vyšší obsah kofeinu.“

 

 

Zdroj: automotiveworld.com