Sa afër jemi me bateritë me gjendje të ngurtë për automjetet elektrike

Çdo disa javë, duket se një laborator tjetër shpall një tjetër përparim në garën për të përsosur bateritë në gjendje të ngurtë paketa energjie të gjeneratës së ardhshme që premtojnë të na japin automjete elektrike (EV) aq pa probleme sa nuk do të kemi më asnjë arsye për të blerë makina që konsumojnë shumë karburant.

Këto qeliza të reja në gjendje të ngurtë janë projektuar të jenë më të lehta dhe më kompakte se bateritë litium-jon të përdorura në automjetet elektrike të sotme. Ato duhet të jenë gjithashtu shumë më të sigurta, pa asgjë brenda që mund të digjet si ato zjarret e rralla, por të vështira për t’u shuar me litium-jon. Ato duhet të mbajnë shumë më tepër energji, duke e kthyer ankthin e distancës në një kujtim të largët me automjetet elektrike të konsumatorëve të afta të përshkojnë katër, pesë, gjashtëqind milje me një karikim të vetëm.

Dhe harrojini ato karikime “të shpejta” që zgjasin gjysmë ore ose më shumë: Bateritë në gjendje të ngurtë premtojnë mbushje të automjeteve elektrike brenda pak minutash – pothuajse aq shpejt sa çdo makinë standarde me benzinë.

E gjithë kjo mund të tingëllojë shumë mirë për të qenë e vërtetë – dhe është, nëse doni të blini një automjet elektrik me energji elektrike në gjendje të ngurtë këtë vit ose vitin tjetër. Megjithatë, nëse shikoni pak më tej, premtimet fillojnë të tingëllojnë më të besueshme. “Nëse shikoni atë që njerëzit po paraqesin si një plan rrugor nga industria, ata thonë se do të përpiqen për demonstrime prototipi të baterive në gjendje të ngurtë në automjetet e tyre deri në vitin 2027 dhe do të përpiqen të bëjnë komercializim në shkallë të gjerë deri në vitin 2030”, thotë shkencëtari i materialeve në Universitetin e Uashingtonit, Jun Liu, i cili drejton një bashkëpunim për zhvillimin e baterive midis universitetit, qeverisë dhe industrisë, i njohur si Qendra e Inovacionit për Konsorciumin Battery500.

Në fakt, sfida nuk është më të provohet se bateritë në gjendje të ngurtë janë të realizueshme. Kjo është bërë prej kohësh në shumë laboratorë në të gjithë botën. Sfida e madhe tani është të gjejmë mënyrën e prodhimit të këtyre pajisjeve në shkallë të gjerë dhe me një kosto të pranueshme.

Jo shumë kohë më parë, thotë Eric McCalla, i cili studion materialet e baterive në Universitetin McGill në Montreal dhe është bashkautor i një punimi mbi teknologjinë e baterive në Rishikimin Vjetor të Kërkimit të Materialeve 2025, kjo shkallë marramendëse e përparimit drejt fuqizimit të automjeteve elektrike ishte pothuajse e paimagjinueshme.

Deri rreth vitit 2010, shpjegon McCalla, “bateria në gjendje të ngurtë gjithmonë dukej si diçka që do të ishte vërtet e mrekullueshme – nëse do të mund ta vinim në punë”. Ashtu si bateritë aktuale të automjeteve elektrike, ajo do të ndërtohej ende me litium, një element i pakrahasueshëm kur bëhet fjalë për sasinë e ngarkesës që mund të ruajë për gram. Por bateritë standarde të litium-jonit përdorin një lëng, madje shumë të ndezshëm, për të lejuar kalimin e lehtë të grimcave të ngarkuara (joneve) midis elektrodave pozitive dhe negative të pajisjes. Dizajni i ri i baterisë do ta zëvendësonte lëngun me një elektrolit të ngurtë që do të ishte pothuajse i papërshkueshëm nga zjarri – duke lejuar njëkohësisht një mori ndryshimesh të tjera fizike dhe kimike që mund ta bënin baterinë të karikohej më shpejt, të ishte më e lehtë në peshë dhe të gjitha të tjerat.

“Por kërkesat materiale për këto elektrolite të ngurta ishin përtej gjendjes së teknologjisë së përparuar”, thotë McCalla. Në fund të fundit, bateritë standarde litium-jon kanë një arsye të mirë për të përdorur një elektrolit të lëngshëm: Ai u jep atomeve të litiumit të jonizuar brenda një mjedisi fluid për të lëvizur ndërsa ato lëvizin midis dy elektrodave të baterisë. Ky cikël vajtje-ardhje është mënyra se si çdo bateri ruan dhe çliron energji – ekuivalenti kimik i pompimit të ujit nga një rezervuar i ulët në një liqen malor të lartë, pastaj duke e lënë atë të rrjedhë përsëri poshtë përmes një turbine sa herë që keni nevojë për pak energji. Kjo bateri e re hipotetike do të duhej në një farë mënyre t’i linte ato jone litiumi të rrjedhin po aq lirshëm – por përmes një trupi të ngurtë.

Kjo dukej e pashpresë për përdorime më të mëdha, siç janë automjetet elektrike, thotë McCalla. Disa polimere dhe trupa të tjerë të ngurtë njiheshin se lejonin kalimin e joneve, por me shpejtësi që ishin shumë më të ngadalta se elektrolitet e lëngshme. Megjithatë, në dy dekadat e fundit, studiuesit kanë zbuluar disa familje të përbërjeve të pasura me litium që janë “superjonike” – që do të thotë se disa atome sillen si një trup i ngurtë kristalor, ndërsa të tjerët sillen më shumë si një lëng – dhe që mund të përçojnë jonet e litiumit aq shpejt sa elektrolitet standarde të lëngshme, nëse jo më shpejt.

“Pra, pengesa papritmas nuk është më pengesa”, thotë McCalla.

Vërtet, prodhimi i këtyre baterive mund të jetë një sfidë. Për shembull, disa nga trupat e ngurtë superjonikë janë aq të brishtë saqë kërkojnë pajisje të posaçme për t’i trajtuar, ndërsa të tjerët duhet të përpunohen në dhoma me lagështi ultra të ulët, në rast se reagojnë me avujt e ujit dhe gjenerojnë gaz toksik sulfur hidrogjeni.

Megjithatë, potenciali i papritur i hapur i baterive në gjendje të ngurtë ka çuar në një rritje të madhe të parave për kërkim dhe zhvillim nga agjencitë financuese në të gjithë botën – për të mos përmendur lançimin e shumë kompanive të reja që punojnë në partneritet me prodhues makinash si Toyota, Volkswagen dhe shumë të tjerë. Edhe pse jo të gjitha shifrat janë publike, investimet në zhvillimin e baterive në gjendje të ngurtë tashmë arrijnë në miliarda dollarë në të gjithë botën.

Çdo kompani automobilistike ka thënë se bateritë në gjendje të ngurtë janë e ardhmja, thotë shkencëtari i materialeve në Universitetin e Merilendit, Eric Wachsman. Është vetëm një pyetje, kur do të jetë kjo e ardhme?

Ndoshta arsyeja më e madhe për të bërë atë pyetje “kur”, përveç sfidave ende të frikshme të prodhimit, është një realitet i zymtë ekonomik: Bateritë në gjendje të ngurtë do të duhet të konkurrojnë në treg me një industri standarde litium-jon që ka një avantazh të madh në fillim.

“Bateritë litium-jon janë zhvilluar dhe optimizuar gjatë 30 viteve të fundit dhe ato funksionojnë vërtet shkëlqyeshëm”, thotë fizikani Alex Louli, inxhinier dhe zëdhënës në një nga startup-et kryesore të baterive në gjendje të ngurtë, QuantumScape me seli në San Jose të Kalifornisë.

Gjithashtu, ato janë bërë shumë të lira, në krahasim. Kur Korporata Sony e Japonisë prezantoi baterinë e parë komerciale litium-jon në vitin 1991, duke u mbështetur në një përpjekje kërkimore në mbarë botën që daton që nga vitet 1950, ajo furnizonte me energji një nga kamerat e kompanisë dhe kushtonte ekuivalentin e 7,500 dollarëve për çdo kilovat-orë (KwH) energji që ruante. Deri në prill të vitit 2025, çmimet e baterive litium-jon kishin rënë ndjeshëm në 115 dollarë për KwH dhe parashikohej të binin drejt 80 dollarëve për KwH ose më pak deri në vitin 2030 – mjaftueshëm e ulët për ta bërë një automjet të ri elektrik dukshëm më të lirë se automjeti ekuivalent me benzinë.

Shumica e këtyre përparimeve nuk kanë ardhur realisht si pasojë e ndonjë përmirësimi themelor në kimi, thotë Mauro Pasta, një elektrokimist i aplikuar në Universitetin e Oksfordit. Ajo që e ka ndryshuar lojën kanë qenë ekonomitë e shkallës në prodhim.

Liu tregon një shembull kryesor: procesin rrotullues që përdoret për bateritë cilindrike që gjenden në shumicën e automjeteve elektrike të sotme. “Ju bëni një masë të trashë,” thotë Liu, “pastaj e derdhni masën e trashë në filma të hollë, i rrotulloni filmat së bashku me shpejtësi dhe precizion shumë të lartë, dhe mund të krijoni qindra e mijëra qeliza shumë, shumë shpejt me cilësi shumë të lartë.”

Qelizat me jon litium kanë parë gjithashtu përparime të mëdha në siguri. Ekzistenca e këtij elektroliti të ndezshëm do të thotë që aksidentet e automjeteve elektrike mund të çojnë dhe çojnë në zjarre me jon litium të vështira për t’u shuar. Por falë ndërprerësve të qarkut dhe masave të tjera mbrojtëse të integruara në paketat moderne të baterive, vetëm rreth 25 automjete elektrike marrin flakë nga çdo 100,000 të shitura, krahasuar me rreth 1,500 zjarre për 100,000 makina konvencionale – të cilat, sigurisht, mbajnë me vete rezervuarë të mëdhenj benzine të ndezshme në mënyrë shpërthyese.

Në fakt, thotë McCalla, industria standarde e baterive me jone litiumi është aq shumë përpara saqë bateritë në gjendje të ngurtë mund të mos i arrijnë kurrë. “Makinat elektrike do të zgjerohen sot”, thotë ai, “dhe do të përdorin teknologjinë që është e përballueshme sot”. Në të vërtetë, prodhuesit e baterive po e rrisin kapacitetin e tyre të baterive me jone litiumi sa më shpejt që të jetë e mundur. “Kështu që pyes veten nëse treni është nisur tashmë nga stacioni.”

Por ndoshta jo. Teknologjia e baterive në gjendje të ngurtë ka një tërheqje gjeopolitike, vëren Ying Shirley Meng, një shkencëtare materialesh në Universitetin e Çikagos dhe Laboratorin Kombëtar Argonne. “Me bateritë litium-jon loja ka mbaruar – Kina tashmë dominon 70 përqind të prodhimit”, thotë ajo. Pra, për çdo vend që kërkon të udhëheqë revolucionin e ardhshëm të baterive, “bateritë në gjendje të ngurtë paraqesin një mundësi shumë emocionuese”.

Një tjetër plus është performanca e përmirësuar. Pikërisht në kohën kur blerësit e automjeteve elektrike kërkojnë një autonomi dhe shpejtësi karikimi gjithnjë e më të madhe, thotë Louli, receta standarde e baterisë litium-jon po arrin një nivel të ulët performance. Për të bërë më mirë, thotë ai, “duhet të ktheheni pas dhe të filloni të bëni disa inovacione materiale” – si ato në bateritë në gjendje të ngurtë.

Merrni për shembull elektrolitin e lëngshëm të baterisë standarde. Nuk është vetëm i ndezshëm, por edhe një kufizim në shpejtësinë e karikimit. Kur lidhni një makinë elektrike, kablloja e karikimit vepron si një qark i jashtëm që aplikon një tension midis dy elektrodave të baterisë, katodës dhe anodës. Forcat elektrike që rezultojnë janë mjaft të forta për të tërhequr atomet e litiumit nga katoda dhe për të zhveshur një elektron nga secili atom. Por kur ato tërheqin jonet që rezultojnë përmes elektrolitit drejt anodës, ato arrijnë limitin e shpejtësisë: Mundohuni t’i nxitoni jonet duke e rritur tensionin shumë dhe elektroliti do të shpërbëhet kimikisht, duke i dhënë fund ditëve të karikimit të baterisë përgjithmonë.

Pra, merrni një pikë për bateritë në gjendje të ngurtë: Përçuesit më të mirë superjonikë jo vetëm që ofrojnë një rrjedhë më të shpejtë të joneve sesa elektrolitet e lëngshme, por ato gjithashtu mund të tolerojnë tensione më të larta – të gjitha këto përkthehen në karikime të automjeteve elektrike në më pak se 10 minuta, krahasuar me gjysmë ore ose më shumë për paketat e energjisë litium-jon të sotme.

Shënoni një tjetër fitore për gjendjen e ngurtë kur jonet mbërrijnë në elektrodën e kundërt, anodën, gjatë karikimit. Këtu ato ribashkohen me elektronet e tyre të humbura, të cilat kanë bërë rrugën e gjatë nëpër qarkun e jashtëm. Dhe këtu është vendi ku bateritë standarde litium-jon ruajnë atomet e litiumit të saponeutralizuara në një shtresë grafiti.

Anodat e grafitit ishin një përparim i madh komercial në vitin 1991 – inovacioni që më në fund i nxori bateritë litium-jon nga laboratori në treg. Grafiti është i lirë, kimikisht i qëndrueshëm, i shkëlqyer në përçimin e energjisë elektrike dhe i aftë të vendosë atomet e litiumit që hyjnë në rrjetën e tij gjashtëkëndore të karbonit si shumë vezë në një kuti vezësh.

Por grafiti imponon edhe një kufi tjetër të shpejtësisë së karikimit, meqenëse rrjeta mund të përballojë vetëm një numër të caktuar jonesh që grumbullohen në të njëjtën kohë. Dhe është i rëndë, duke humbur shumë masë dhe vëllim në një enë të thjeshtë, thotë Louli: “Grafiti është një strehues akomodues, por nuk jep energji vetë – është një komponent pasiv.” Kjo është arsyeja pse prodhuesit e automjeteve që janë të vetëdijshëm për distancën janë të etur për një alternativë ndaj grafitit: Sa më shumë kapacitet mund të mbajë një automjet elektrik në paketën e baterisë me të njëjtën madhësi dhe sa më pak peshë duhet të transportojë, aq më larg mund të shkojë me një karikim të vetëm.

Alternativa përfundimtare do të ishte të mos kishte fare kafaz, pa hapësirë ​​ose peshë të humbur – vetëm jone hyrëse që kondensohen në metal litiumi të pastër me çdo cikël karikimi. Në fakt, një anodë e tillë metalike litiumi do të krijonte dhe më pas do të tretej me çdo cikël karikimi dhe shkarkimi – ndërsa ruante ndoshta 10 herë më shumë energji elektrike për gram sesa një anodë grafiti.

Anoda të tilla litium-metali janë demonstruar në laborator që të paktën nga vitet 1970, dhe madje janë paraqitur në disa përpjekje të hershme, por të pasuksesshme, për bateritë komerciale të litiumit. Por edhe pas dekadash përpjekjesh, thotë Louli, askush nuk ka qenë në gjendje t’i bëjë anodat metalike të funksionojnë në mënyrë të sigurt dhe të besueshme në kontakt me elektrolite të lëngshme. Së pari, thotë ai, ndodhin këto reaksione midis elektrolitit tuaj të lëngshëm dhe metalit të litiumit që i degradojnë të dyja, dhe përfundoni me një jetëgjatësi shumë të keqe të baterisë.

Dhe për një tjetër, shton Wachsman, “kur po ngarkoni një bateri me lëngje, litiumi që shkon në anodë mund të formojë pllaka jo uniforme dhe të formojë ato që quhen dendrite”. Këto thumba të dhëmbëzuara metalike mund të rriten në mënyra të paparashikueshme dhe të shpojnë shtresën ndarëse të baterisë: një film i hollë polimeri elektrikisht izolues që i pengon dy elektrodat të prekin njëra-tjetrën. Thyerja e kësaj barriere mund të shkaktojë lehtësisht një qark të shkurtër që i jep fund papritur jetëgjatësisë së pajisjes, ose madje e vë atë në flakë.

Tani krahasojeni këtë me një bateri që zëvendëson si elektrolitin e lëngshëm ashtu edhe ndarësin me një shtresë në gjendje të ngurtë mjaftueshëm të fortë për t’i rezistuar këtyre luhatjeve, thotë Wachsman. “Ka potencialin, së pari, të jetë e qëndrueshme ndaj tensioneve më të larta; së dyti, të jetë e qëndrueshme në prani të metalit të litiumit; dhe së treti, të parandalojë ato dendrite” – pothuajse gjithçka që ju nevojitet për t’i bërë ato anoda litium-metal me dendësi ultra të lartë energjie një realitet praktik.

“Kjo është ajo që e bën vërtet tërheqëse këtë teknologji të re të baterive”, thotë Louli. Dhe tani që studiuesit kanë gjetur kaq shumë lëndë të ngurta superjonike që potencialisht mund të funksionojnë, shton ai, “kjo është ajo që po e nxit shtytjen për këtë.”

Gjithnjë e më shumë, në fakt, fokusi i fushës është zhvendosur nga kërkimi në praktikë, duke kuptuar se si të funksionojë i njëjti lloj magjie prodhimi në shkallë të gjerë dhe me kosto të ulët që e ka bërë arkitekturën standarde të litium-jonit kaq dominuese. Këto materiale të reja superionike nuk e kanë bërë të lehtë.

Një shembull kryesor është klasa e sulfideve e zbuluar nga studiuesit japonezë në vitin 2011. Jo vetëm që këto sulfide ishin ndër të parat superionikë të rinj që u zbuluan, thotë Wachsman, por ato janë ende pretendentët kryesorë për komercializim të hershëm.

Investime të mëdha kanë ardhur nga startup-e të tilla si Solid Power me seli në Kolorado dhe Factorial Energy me seli në Masaçusets , si dhe nga gjigantë të njohur të baterive si CATL i Kinës dhe prodhues globalë të makinave si Toyota dhe Honda.

Dhe ka një arsye të madhe për fokusin te sulfidet superjonike, thotë Wachsman: “Ato janë të lehta për t’u futur në linjat ekzistuese të prodhimit të qelizave të baterive”, duke përfshirë procesin “roll-to-roll”. “Kompanitë kanë investuar miliarda dollarë në infrastrukturën ekzistuese dhe nuk duan ta zëvendësojnë atë me diçka të re.”

Megjithatë, këto sulfide superjonike kanë edhe disa anë negative të rëndësishme – më e rëndësishmja, ndjeshmëria e tyre ekstreme ndaj lagështisë. Kjo e ndërlikon procesin e instalimit, thotë Oxford’s Pasta. Dhomat e thata që përdoren aktualisht për të prodhuar bateri litium-jon kanë një përmbajtje lagështie që nuk është aq e ulët sa për elektrolite sulfurike dhe do të duhej të riparoheshin. Kjo ndjeshmëri gjithashtu përbën një rrezik sigurie nëse bateritë shpërthejnë ndonjëherë në një aksident, thotë ai: “Nëse i ekspozoni sulfidet ndaj lagështirës në ajër, do të gjeneroni gaz sulfidi hidrogjeni, i cili është jashtëzakonisht toksik.”

E gjithë kjo është arsyeja pse startup-e të tilla si QuantumScape dhe Ion Storage Systems me seli në Maryland , të cilat u krijuan nga laboratori i Wachsman në vitin 2015, po shohin përtej sulfideve, te elektrolitet e oksidit në gjendje të ngurtë. Këto materiale janë në thelb qeramikë, thotë Wachsman, të prodhuara në një version të teknologjisë së lartë të klasës së qeramikës: “I jepni formë argjilës, e piqni në furrë dhe ajo është një lëndë e ngurtë”. Përveç se në këtë rast, është një lëndë e ngurtë superjonike që është pothuajse e papërshkueshme nga lagështia, nxehtësia, zjarri, tensioni i lartë dhe metali litium shumë reaktiv.

Megjithatë, këtu fillojnë edhe sfidat e prodhimit. Për shembull, qofshin superjonike apo jo, qeramika është shumë e brishtë për përpunimin nga një rrotull në tjetrin. Pasi të jenë pjekur dhe ngurtësuar, thotë Wachsman, “duhet t’i trajtosh më shumë si një pllakë gjysmëpërçuese, me makina për të prerë fletët në madhësinë e duhur dhe robotikë për t’i lëvizur ato”.

Pastaj është “frymëmarrja e kthyeshme” që i prek njësoj bateritë e oksidit dhe ato të sulfurit: “Me çdo cikël karikimi ne po veshim dhe zhveshim metalin e litiumit në anodë”, shpjegon Louli. “Pra, i gjithë grupi i qelizave do të ketë një rritje të trashësisë kur karikohet dhe një ulje të trashësisë kur shkarkohet” – një cikël ndryshimesh të vogla në vëllim që çdo dizajn baterie në gjendje të ngurtë duhet ta lejojë.

Në QuantumScape, për shembull, qelizat individuale të baterive bëhen duke vendosur një sërë fletësh oksidi shumë të holla si një pako letrash, dhe më pas duke e mbështjellë këtë grumbull brenda një kornize metalike që është aq e trashë sa të lejojë shtresën e anodës në secilën fletë të zgjerohet dhe të tkurret lirisht. Grumbulli dhe korniza së bashku më pas vulosen me vakum në një qese me anë të buta, thotë Louli, “kështu që nëse i paketoni qelizat kornizë më kornizë, grumbujt mund të marrin frymë dhe të mos shtyjnë qelizat ngjitur”.

Në një mënyrë të ngjashme, thotë Wachsman, të gjitha ndërlikimet e baterive në gjendje të ngurtë kanë zgjidhje të gatshme – por zgjidhje që në mënyrë të pashmangshme shtojnë kompleksitetin dhe koston. Kështu, obsesioni gjithnjë e më urgjent i fushës me prodhimin. Përpara se një kompani automobilistike të marrë në konsideratë miratimin e një baterie të re elektrike, thotë ai, “jo vetëm që duhet të ketë performancë më të mirë se bateria e tyre aktuale, por duhet të jetë edhe më e lirë”.

Dhe e vetmja mënyrë për ta bërë teknologjinë e ndërlikuar më të lirë është me ekonomi shkalle. “Kjo është arsyeja pse pengesa më e madhe për bateritë në gjendje të ngurtë është pikërisht kostoja e ngritjes së një prej këtyre gjigafabrikave për t’i prodhuar ato në vëllim të mjaftueshëm”, thotë Wachsman. “Kjo është arsyeja pse ndoshta do të ketë më shumë bateri në gjendje të ngurtë në aplikacionet e tipit të adaptuesve të hershëm që nuk kërkojnë atë lloj vëllimi.”

Megjithatë, thotë Louli, kërkesa afatgjatë është padyshim aty. “Ajo që po përpiqemi të mundësojmë duke kombinuar anodën litium-metalike me teknologjinë e gjendjes së ngurtë është e trefishtë”, thotë ai: “Energji më e lartë, fuqi më e lartë dhe siguri e përmirësuar. Pra, për aplikime me performancë të lartë si automjetet elektrike – ose aplikime të tjera që kërkojnë dendësi të lartë të fuqisë, siç janë dronët ose edhe aviacioni i elektrizuar – bateritë e gjendjes së ngurtë do të jenë të përshtatshme.”