„Rozwój akumulatorów jest niesamowicie ekscytujący”

Profesorze Fichtner, żaden podzespół nie jest dla samochodu elektrycznego tak istotny, jak akumulator. Jaki akumulator jest w tym przypadku najlepszy?
Akumulator, który łączy w sobie najlepszą kombinację takich właściwości, jak pojemność, szybkość ładowania, niewielkie koszty, bezpieczeństwo i zgodność z zasadami zrównoważonego rozwoju. Jaki dokładnie jest to akumulator, zależy od samochodu i jego przeznaczenia. W klasie wyższej liczy się duży zasięg. W segmencie kompaktowym akumulator powinien być znacznie tańszy, za to nie musi mieć tak dużej pojemności.

Miejsce na akumulator w samochodzie elektrycznym jest ograniczone. Jaką konstrukcję musi mieć system akumulatorów, aby przy takiej samej wielkości mógł pomieścić więcej materiału magazynującego?
Niektórzy producenci wykorzystują tak zwany „cell-to-pack design”, zwany też „cell-to-body design”. W uproszczeniu mówiąc, zestawy akumulatorów nie składają się już z ogniw o wielkości tabliczki czekolady, lecz deski podłogowej. Te większe jednostki mają mniej nieaktywnego materiału opakowaniowego i stwarzają więcej miejsca na właściwy materiał magazynujący. Osiągają gęstość integracji przekraczającą 70 procent, podczas gdy normalne akumulatory mają tylko około 50 procent. Producenci samochodów elektrycznych, którzy chcą opracować własne akumulatory, mogą od początku uwzględnić w projekcie ten postęp technologii. Nie powinno się tak bardzo patrzeć tylko na pojedyncze ogniwo, lecz bardziej skupić na tym, jak można zbudować ogniwa zajmujące możliwie jak najmniej miejsca, a jednocześnie duże.

Jakich postępów w dziedzinie akumulatorów możemy spodziewać się w najbliższych latach?
Spodziewamy się skokowych postępów. Na rok 2023 zapowiedziane są pierwsze zestawy akumulatorów dwóch chińskich producentów, które mają umożliwić zasięg powyżej 1000 kilometrów. Jednocześnie przewidywane jest, że taki akumulator będzie można naładować do zasięgu 700 kilometrów w mniej niż dziesięć minut. Nawet mnie, jako naukowca, zaskakuje dynamika tego rozwoju. To byłby duży skok w technologii akumulatorów, który nie opiera się nawet na nowej chemii akumulatorów, lecz na rozwiązaniach technologicznych.

Moc ładowania jest często pomijana. Jaki jest związek między ładowaniem a technologią akumulatorów?
Tak, to prawda, bo rzadko przejeżdża się 600 kilometrów bez przerwy. Dlatego przy dużych akumulatorch ważne jest, aby można je było szybko ładować. To jest najważniejszy aspekt. Jeżeli można naładować akumulator samochodu elektrycznego w ciągu dziesięciu minut od dziesięciu do osiemdziesięciu procent, wtedy żaden argument nie przemawia na rzecz silnika spalinowego. Istnieją materiały, które umożliwiają szybsze ładowanie, i takie, które ładują się wolniej. Technicznie rzecz biorąc, podczas ładowania jony litu w akumulatorach przemieszczają się od bieguna dodatniego do ujemnego i  tam – używając potocznego języka – muszą się wgryźć, osadzić się. 

Obecnie biegunem ujemnym jest warstwa grafitu. Są już producenci, którzy chcą tutaj stosować kompozyty krzemowo-węglowe. Można je znacznie szybciej ładować, także przy niskich temperaturach. Istnieje duży potencjał rozwoju, jeżeli chodzi o materiały. Zmieniając materiał na biegunie ujemnym, całe ogniwo uzyskuje o 30 procent większą pojemność. Wciąż możliwe są jeszcze niesamowicie duże postępy w zakresie rozwoju. Abstrahując od tego: jeżeli chce się naładować akumulator o pojemności 60 kWh w dziesięć minut, potrzebne jest przyłącze do ładowania o mocy 360 kW. To pokazuje, że obecnie ograniczenia w mniejszym stopniu wynikają z samej akumulatorów, bardziej z infrastruktury do ładowania.

W smartfonach przy częstym używaniu wydajność akumulatorów po dwóch, trzech latach wyraźnie spada. Jaka jest żywotność akumulatorów samochodu elektrycznego?
Akumulatory smartfonów są tak pomyślane i skonstruowane, by użytkownik po trzech latach wymienił telefon. W samochodach system kontroli akumulatorów jest o wiele inteligentniejszy, a akumulator jest chroniony przed przegrzaniem i innymi szkodliwymi wpływami na wiele sposobów, na przykład przez inteligentne zarządzanie ładowaniem. Badania przeprowadzone na nowszych pojazdach pokazują, że z reguły po pięciu latach dostępnych jest jeszcze 95 procent pozostałej pojemności. Akumulator trakcyjny w samochodzie elektrycznym jest zaprojektowany na 2000 pełnych cykli. Przykład: 2000 razy 500 kilometrów zasięgu daje milion kilometrów. Po dwóch tysiącach cykli akumulator osiąga próg pozostałej pojemności wynoszący 80 procent, co jest uznawane za kryterium wyznaczające koniec jej żywotności. Jednak akumulator nadal jest sprawny i może z powodzeniem pracować jeszcze przez dobrych dziesięć lat, na przykład jako stacjonarny magazyn energii w instalacjach fotowoltaicznych lub elektrowniach wiatrowych.

Na całym świecie powstają gigafabryki produkujące akumulatory. Czy w nadchodzących latach lub dekadach wystarczy surowców do produkcji ogniw?
Jeżeli chodzi o samą ilość, to tak. Jednak moce produkcyjne nie zostały jeszcze dopasowane do szybko rosnącego popytu, więc w niektórych obszarach mogą wystąpić wąskie gardła. Naukowcy próbują zaradzić tej sytuacji, na przykład poprzez całkowite wyeliminowanie kobaltu z nowych akumulatorów i częściowe zastąpienie w przyszłości litu sodem, co znacznie zmniejszy ewentualny niedobór surowców. W Niemczech planuje się obecnie budowę jedenastu gigafabryk. Więcej niż w jakimkolwiek innym kraju. Daje to ogromny potencjał, aby obrać właściwą drogę. Decydujące pytanie brzmi: czy te gigafabryki będą produkować tylko ogniwa, czy też zadbają o cały system?

Jak ważne są w tym kontekście procesy recyklingu zużytych akumulatorów?
Bardzo ważne. Szacuje się, że od około 2034 roku połowa potrzebnych surowców będzie pochodziła z recyklingu. Obecnie mamy w Europie 38 zakładów recyklingu akumulatorów, które rozwijają nowe procesy i zwiększają swoje moce produkcyjne. Zakłady muszą być przygotowane na to, że w połowie lat 2030 do recyklingu trafią duże ilości akumulatorów z aut elektrycznych.

Akumulator stanowi dużą część kosztów pojazdu elektrycznego. Co musi się wydarzyć, aby koszty te obniżyły się?
Trzeba używać tańszych materiałów, czyli surowców, które są powszechne, występują na całym świecie i mogą być wydobywane bez szkody dla środowiska. Ponadto producenci muszą opracować nowe technologie ograniczające energię i czas. Oprócz przejścia na bardziej zrównoważone materiały, niezmiernie ważnym trendem w produkcji akumulatorów jest redukcja kosztów. Ma to zastosowanie wszędzie: mniejsze zapotrzebowanie na miejsce, mniejsze zużycie energii i czasu. W dziedzinie rozwoju wiele się dzieje i to szybciej, niż mogłoby się wydawać. Rozwój akumulatorów jest  niesamowicie ekscytujący.