Szef badań nad ogniwami akumulatorowymi w Daimler o elektromobilności

andreas Hintennach © Mercedes-Benz

Udostępnij:

Układ akumulatorowy jest prawdopodobnie najważniejszym elementem pojazdów elektrycznych. Oprócz uzyskania najwyższej możliwej gęstości energii kluczowe znaczenie mają takie aspekty, jak bezpieczeństwo, waga i zrównoważony rozwój. Dr Andreas Hintennach jest szefem badań nad ogniwami akumulatorowymi w Daimler. Oprócz wyjaśnienia podstaw obecnych ogniw litowo-jonowych, nakreśla, które przyszłe technologie rzeczywiście mają szansę odpowiednio pełnić swoją rolę.

Każdego dnia w Daimler eksperci z różnych dziedzin zajmują się wszystkimi aspektami technologii przechowywania energii, od badań podstawowych po dojrzałość produkcyjną. Wymagania są złożone i różnią się w zależności od aplikacji. Wynika to z faktu, że 48-woltowe hybrydy łagodne, hybrydy plug-in i wyłącznie elektryczny układ napędowy wymagają różnych kierunków rozwoju. Aby dokonać przeglądu tego tematu, Andreas Hintennach dał przedstawicielom mediów wgląd w zasady techniczne oraz cele rozwojowe i badawcze Daimlera podczas cyfrowego okrągłego stołu.


Jak Mercedes-Benz radzi sobie z badaniami i rozwojem akumulatorów?

Technologia akumulatorowa jest kluczowym elementem mobilności elektrycznej, a nie produktem gotowym do użycia, ale integralną częścią architektury pojazdu. Dlatego obejmujemy wszystkie etapy, od badań podstawowych do dojrzałości produkcyjnej. Nasze działania obejmują ciągłą optymalizację obecnej generacji systemów akumulatorów litowo-jonowych, dalszy rozwój ogniw dostępnych na rynku światowym oraz badania systemów akumulatorów nowej generacji. Pracujemy również nad systemem zarządzania baterią, który jest złożonym komputerem, który można ulepszać. Ważnym tematem jest również zarządzanie ciepłem. Odpowiada on za żywotność, a także wydajność zestawu akumulatorów. Należy naprawdę zrozumieć mechanizm danej technologii, aby móc podejmować właściwe decyzje.


TOP w kategorii




Na czym obecnie się skupia Mercedes Benz?

Podczas gdy nasz całkowicie nowy model EQC jest wprowadzany na rynki, przygotowujemy drogę dla następnych generacji pojazdów o dużej mocy akumulatorowo-elektrycznej. Akumulatory litowo-jonowe są obecnie najczęściej stosowanym typem w elektronice i pojazdach elektrycznych. W nadchodzących latach technologia ta będzie nadal nadawać tempo – ale jest jeszcze wiele do zrobienia. W zakresie badań i rozwoju przestrzegamy kilku szczegółowych zasad przewodnich. Konsekwentnie pracujemy nad innowacjami i alternatywami poza akumulatorami litowo-jonowymi i to nie tylko w odniesieniu do gęstości energii i czasu ładowania, ale także zrównoważonego rozwoju. Na przykład, zgodziliśmy się na partnerstwo na rzecz zrównoważonego rozwoju z Farasis Energy (Ganzhou) w celu przyjęcia całościowego podejścia w całym łańcuchu wartości. Część ogniw akumulatorowych do następnej generacji pojazdów naszej marki produktów i technologii EQ będzie gotowa do wyprodukowania przy użyciu 100% energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Ponadto nasze kompetencje w zakresie oceny technologicznej materiałów i ogniw oraz działań badawczo-rozwojowych są stale rozszerzane.

Czyli chodzi o coś więcej niż tylko zwiększenie kWh na pakiet baterii?

Oczywiście pojemność energetyczna jest ważna. Ale jest coś więcej: bezpieczeństwo jest dla nas decydującym czynnikiem. Zmiany związane z materiałami mogą umożliwić uzyskanie wyższej wydajności – ale z kompromisami w zakresie bezpieczeństwa. Dla nas to zdecydowanie nie wchodzi w rachubę. Mercedes-Benz musi być punktem odniesienia, jeśli chodzi o bezpieczeństwo, dotyczy to również jego akumulatora. Jedną z naszych zasad przewodnich rozwoju jest także elastyczność: w Daimler istnieje wiele przypadków użycia akumulatorów, od samochodów smart i Mercedes-Benz – do autobusów i ciężkich ciężarówek – i wreszcie od 48-woltowego silnika łagodnego hybrydy do hybryd plug-in i samochody wyłącznie elektryczne. Oczywiście opracowane przez nas rozwiązania muszą być zrównoważone.

Jak ważny jest zrównoważony rozwój?

Zrównoważony rozwój stał się nadrzędną zasadą każdej działalności deweloperskiej w Daimler. Ponieważ produkcja pojazdów wymaga naturalnie dużej ilości surowców, jednym z naszych działań jest zminimalizowanie zapotrzebowania na zasoby naturalne, ale także zwiększenie przejrzystości już na początku. Podczas projektowania tworzymy koncepcję dla każdego modelu pojazdu, w której wszystkie komponenty i materiały są analizowane pod kątem ich przydatności w kontekście gospodarki o obiegu zamkniętym. W odniesieniu do akumulatorów koncepcja ta jest już wykorzystywana do podstawowych badań, w których cenne materiały można zastąpić, zminimalizować lub wykorzystać bardziej wydajnie. Co więcej, możliwość recyklingu jest już brana pod uwagę od samego początku. Produkcja akumulatorów staje się częścią całościowego podejścia – zamkniętej pętli; tak zwana gospodarka o obiegu zamkniętym.

Jaki jest wpływ pojazdów elektrycznych na środowisko? Napęd elektryczny ma wyraźnie większy wpływ na produkcję niż silniki spalinowe.

Produkcja silnika spalinowego była stale ulepszana w ciągu ostatnich 133 lat. Z drugiej strony akumulator i ogniwo paliwowe zaczynają obecnie życie z większą emisją ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na energię. Jednak pod względem działania oba są znacznie bardziej wydajne. I to się opłaca na dłuższą metę. Nawet jeśli nie obciążymy ich energią elektryczną neutralną względem CO₂, pojazdy zasilane bateryjnie generują około 40% mniej emisji w całym cyklu życia niż pojazdy z silnikami benzynowymi i 30% mniej niż pojazdy napędzane olejem napędowym. W tych obliczeniach nasze docelowe redukcje emisji CO₂ do produkcji do 2039 r. I recykling surowców, które zostaną włączone do cyklu produkcyjnego w przyszłości, nie są nawet brane pod uwagę. Oba z nich dodatkowo poprawią zrównoważony rozwój naszych pojazdów w sposób całościowy, przyczyniając się w ten sposób do naszego „Ambition2039”. Dziś nasze pojazdy są już w 95% odzyskiwalne.

Jak długo potrwa, zanim powstanie rynek surowców wtórnych?

Za osiem do dziesięciu lat będzie dostępna znaczna liczba akumulatorów samochodowych do recyklingu. W szczególności kobalt, nikiel, miedź, a później także krzem zostaną poddane recyklingowi. Jesteśmy już bardzo dobrze przygotowani, procesy już istnieją, podobnie jak możliwości zwrotu surowców wtórnych do cyklu produkcyjnego. Obecnie robimy to z naszymi akumulatorami testowymi. Ustanowienie funkcjonującego rynku surowców wtórnych dla Europy ma ogromne znaczenie polityczne, ponieważ Europa prawie nie ma żadnych podstawowych źródeł. Ale oczywiście robimy wszystko, co w naszej mocy, aby baterie działały jak najdłużej.

Jakich materiałów używa się w akumulatorach?

Dzięki technologii litowo-jonowej struktura komórki jest zawsze podobna, niezależnie od tego, czy jest to telefon komórkowy czy bateria EV. Zawsze są dwie blachy, takie jak miedź i aluminium. Pomiędzy metalowymi blachami znajdują się dwa bieguny z katodą i anodą, między którymi zachodzi reakcja elektryczna. Do reakcji wymagany jest metal reaktywny, taki jak lit. Największym czynnikiem kosztowym jest skład katody, co oznacza dodatni biegun baterii. Składa się z mieszaniny niklu, manganu i kobaltu. Anoda wykonana jest z proszku grafitowego, litu, elektrolitów i separatora.

A gdzie wchodzi w grę wspomniany krzem?

Krzem w dużej mierze zastąpi proszek grafitowy w przyszłości. Umożliwi nam to zwiększenie gęstości energii akumulatorów do około 20 do 25%. Krzem pozwala nam stosować materiały po stronie katody, które nie są kompatybilne z obecnie używanym grafitem. Wyobraź sobie dwie szklanki. Jeśli chcesz wlać wodę z jednego do drugiego, drugi powinien mieć co najmniej taki sam rozmiar, aby się nie przelewał. Podobnie anoda i katoda powinny się zharmonizować, co nazywamy „równoważeniem”. Krzem jest również wykorzystywany do poprawy prędkości ładowania.

Kobalt jest często kojarzony z naruszaniem praw człowieka i niszczeniem środowiska w związku z jego wydobyciem, szczególnie gdy pochodzi z Demokratycznej Republiki Konga. Co Daimler z tym robi?

Opracowaliśmy podejście, którego celem jest upewnienie się, że nasi dostawcy spełniają nasze wymagania dotyczące zrównoważonego rozwoju, a tym samym dążenie do osiągnięcia większej przejrzystości w łańcuchu dostaw. W tym celu zatrudniliśmy firmę audytorską w celu wyjaśnienia i monitorowania każdego etapu łańcucha dostaw kobaltu zgodnie ze standardami OECD. W końcu elektromobilność jest naprawdę zrównoważona tylko wtedy, gdy surowce są wydobywane w zrównoważonych warunkach.

Inną strategią jest zastąpienie kobaltu innymi, mniej krytycznymi materiałami…

Prowadzimy badania nad tym. Dzięki obecnej generacji ogniw akumulatorowych byliśmy już w stanie zmniejszyć udział kobaltu w materiale aktywnym (niklu, manganie, kobalcie, licie) z około jednej trzeciej do mniej niż 20%. W laboratorium pracujemy obecnie z mniej niż dziesięcioma procentami, a udział ten spadnie jeszcze bardziej w przyszłości. Z chemicznego punktu widzenia istnieje wiele argumentów za całkowitym zrezygnowaniem z kobaltu. Im bardziej mieszanka materiałów jest zmniejszona, tym łatwiejszy i wydajniejszy jest recykling. Energia wymagana do produkcji chemicznej jest również zmniejszona, ponieważ mieszanka jest łatwiejsza do wytworzenia.

Co zastąpi kobalt i inne materiały, takie jak lit?

Są to materiały oparte głównie na manganie – surowcu, który jest mniej kłopotliwy z ekologicznego punktu widzenia i łatwiejszy w obróbce. Istnieją już doskonałe urządzenia do recyklingu manganu, ponieważ jest on używany od dziesięcioleci w postaci baterii alkalicznych (baterii nieładowalnych). Zadaniem naukowców jest sprawienie, by ten typ baterii był ładowalny. Oczekujemy, że technologia będzie gotowa do wprowadzenia na rynek w drugiej połowie 2020 roku. Inną alternatywą jest bateria litowo-siarkowa. Siarka jest produktem odpadowym przemysłowym, który prawie bez żadnych kosztów jest bardzo czysty i można go łatwo poddać recyklingowi. Stanowi poważne wyzwania w odniesieniu do gęstości energii, ale ma także niezrównaną równowagę ekologiczną. Może to jednak potrwać lata, zanim ta technologia będzie dostępna dla samochodów osobowych.

Lit jest również przedmiotem krytyki. Czy ten surowiec można również wymienić?

Tak, można. Na przykład bateria magnezowo-siarkowa nie zawiera litu. Znamy magnez z naszego codziennego życia w postaci kredy. Dużą zaletą jest to, że jest dostępny bezpłatnie. Alb szwabski składa się na przykład wyłącznie z kredy. Jednak nasze badania są obecnie na etapie laboratoryjnym.

Więc nie ma obecnie alternatywy dla baterii litowo-jonowej?

Są, w niektórych aplikacjach. Istnieją nawet technologie, które przewyższają akumulator litowo-jonowy. Należą do nich akumulator półprzewodnikowy, którego będziemy używać w naszym autobusie miejskim Mercedes-Benz eCitaro w drugiej połowie 2020 roku. Technologia ma bardzo długi cykl życia, a także nie zawiera kobaltu, niklu ani manganu. Jednak jego gęstość energii jest niższa, co czyni ją stosunkowo dużą i wolno się ją ładuje. Dlatego nadaje się do pojazdów użytkowych, ale nie do samochodów osobowych. Bateria litowo-jonowa będzie z nami przez wiele lat.

Jaki będzie następny „święty Graal”? Czy baterie półprzewodnikowe to przyszłość?

Nie ma jednej technologii post-litowo-jonowej. Niezależnie od tego, czy są to ogniwa z elektrolitami na ciele stałym, anodami litowo-metalowymi, czy litowo-siarkowymi – wszystkie technologie różnią się specyficznymi wymaganiami materiałowymi, ich zastosowaniami, a także poziomem dojrzałości. Każda technologia ma swoje zalety i wady. Dobrą wiadomością jest to, że istnieje wiele ścieżek, które zmniejszają ryzyko potencjalnej ślepej drogi w rozwoju. Jeszcze za rogiem – ale także niezbyt daleko – są baterie, w których grafitową powłokę anody można zastąpić nowymi materiałami, takimi jak folia litowo-metalowa lub proszek krzemowy. Oba zdecydowanie zwiększają gęstość energii. Prowadzi to do większego zasięgu i może nawet wspierać szybkie ładowanie. Wszystkie akumulatory półprzewodnikowe mają ogromne zalety, jeśli chodzi o bezpieczeństwo, ale wciąż pracujemy nad szybkim ładowaniem i dłuższą żywotnością, zanim będziemy mogli powiedzieć „to technologia, którą powinniśmy wprowadzić teraz na drogę” w odniesieniu do naszych samochodów osobowych.

A co stanie się w dalszej części drogi?

Lit i siarka jest jedną z możliwych alternatyw. Zastąpienie niklu i kobaltu dzisiejszych akumulatorów siarką znacznie zwiększy zrównoważony rozwój. Gęstość energii ma również duży potencjał, ale żywotność nie jest jeszcze wystarczająco długa i minie trochę czasu, zanim nastąpi przełom w tej dziedzinie. W akumulatorach litowo-powietrznych tak naprawdę jest tylko lit. Reszta – tlen – po prostu pochodzi z powietrza. Pod względem chemicznym jest to koncepcja podobna do tego, co jest w ogniwie paliwowym, w którym wykorzystujemy wodór. Gęstość energii byłaby wybitna – ale ta technologia jest wciąż dość daleko w tyle.

Dzięki samochodowi badawczemu VISION AVTR poszedłeś o krok dalej, znacznie dalej niż jutro. Czy technologia akumulatorów organicznych jest naprawdę realną opcją?

Dzięki VISION AVTR Mercedes-Benz prezentuje zrównoważoną wizję mobilności bezemisyjnej – także w zakresie technologii jazdy. Po raz pierwszy rewolucyjna technologia akumulatorów składa się z chemii ogniw organicznych opartych na grafenie, a zatem nie wykorzystuje rzadkich, toksycznych lub drogich materiałów, takich jak metale. To uniezależnia e-mobilność od zasobów kopalnych. Absolutną rewolucją jest 100-procentowy recykling dzięki kompostowaniu ze względu na istotność – doskonały przykład przyszłej gospodarki o obiegu zamkniętym w sektorze surowców. Oprócz wykładniczo wysokiej gęstości energii technologia ta imponuje również wyjątkową funkcją szybkiego ładowania. Baterie organiczne są obecnie częścią naszych podstawowych badań. Może minąć kilka lat, zanim będzie można go wprowadzić w pojazdach Mercedes-Benz – ale potencjał jest duży!

Źródło: Daimler

Udostępnij:

Drukuj





aE



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również