Dragan KOSOVAC

1. maj 2023.

Tokom poslednje decenije, svedoci smo postepenog, ali sigurnog, omasovljenja električnih vozila. Ne samo što sami električni automobili postaju sve bolji i pristupačniji, već i infrastruktura za njihovo lako korišćenje (čitaj: mreža stanica za punjenje) postaje sve robusnija i dalekosežnija. Pre deset godina, oko 0,2 odsto vozila na svetskim ulicama bilo je električno, a godišnje se prodavalo manje od 100 hiljada primeraka. 2016. godine, po prvi je put prodato više od milion električnih automobila, a prošle, 2022. godine, taj broj je prešao deset miliona vozila. Taj broj je još impresivniji kada se u obzir uzme da je globalna automobilska industrija u mini-krizi, jer dok je ukupan broj prodatih vozila u padu (sa 85 na 74 miliona godišnje u poslednjih pet godina), broj prodatih električnih automobila nastavlja da raste (sa 1,2 na 10,6 miliona u istom periodu).

Ipak, pored svog navedenog napretka na polju omasovljenja e-automobila, postoji nekoliko prepreka na putu ka tome da se globalni vozni park, koji pokreću motori sa unutrašnjim sagorevanjem, u potpunosti zameni onim na električni pogon, bar kada se radi o modelima zasnovanim na današnjem stepenu tehnologije. Najveći od tih izazova vezan je upravo za tehnologiju baterija koje se koriste u njima.

Litijum i punjenje

Trenutno najobimnije korišćeni tip baterija na svetu zasnovan je na poznatoj litijum-jonskoj tehnologiji. Sve, od fitness narukvica, preko mobilnih telefona, pa do automobila koristi ovaj tip baterija. Razlog za taj primat je u odnosu cene proizvodnje, gustine energije koja može da se uskladišti u baterijama i, u nešto manjoj meri, brzini ponovne popune njihovog kapaciteta kada se baterija isprazni. Dok cena proizvodnje ovih baterija tokom godina opada, usled povećanja globalnih proizvodnih postrojenja, polako se udara u zid raspoloživih sirovina. Naime, kada bi svi ljudi želeli da trenutno pređu na električno vozilo i cela planeta krenula putem tranzicije globalnog voznog parka u električnu varijantu, za proizvodnju neophodnih baterija za takav poduhvat bilo bi neophodno da se svetska proizvodnja litijuma poveća čak pedeset puta. Tako nešto, čak i sa agresivnim ulaganjem i kopanjem bez obraćanja pažnje na ljude i ekologiju, nije moguće u sledećih par decenija.

Što se energetske gustine tiče, radi se o težini i gabaritima baterija u odnosu na količinu električne energije koja može da se uskladišti u njima. Ovo je kategorija koja najviše određuje autonomiju korisnika pri radu sa uređajem ili, u ovom slučaju, vozilom u kom je baterija, jer veća gustina znači dužu vožnju bez dopunjavanja, odnosno, manji i lakši uređaj (ili vozilo sa jačim motorom). Od baterija koje se danas koriste, olovo-kiselinske (klasični automobilski akumulatori) imaju najmanju energetsku gustinu, prate ih nikl-kadmijumske i nikl-metal-hidridne, koje su nekada bile tehnologija izbora za prenosne uređaje. Litijum-jonske su na ovom planu ubedljivo najbolje baterije, a usled neprestane evolucije i razvoja, tokom godina, postajale su sve bolje, kako na polju gustine energije, tako i na polju takozvane gustine snage, odnosno, mogućnosti bržeg otpuštanja veće količine energije kada to potrošač zahteva. Naposletku, tokom godina su učinjeni veliki koraci po pitanju brzine punjenja ovih baterija.

Upravo ta brzina punjenja verovatno je najveći kamen spoticanja pri omasovljenju električnih automobila. Naime, jednostavnost dopune goriva u rezervoar motora sa unutrašnjim sagorevanjem stvorila je kod vozača naviku na određeni stepen komfora. Dođeš na pumpu, natočiš gorivo, verovatno najviše vremena provedeš čekajući na kasi da platiš i voziš dalje. Taj isti „ritual” u slučaju vozila sa električnim motorom podrazumeva nekoliko koraka. Prvi je planiranje gde i kada dopuniti bateriju, jer mreža stanica za punjenje još uvek nije sveobuhvatna kao dobre, stare benzinske pumpe. Drugi korak je čekanje, jer, čak i pored silnog napretka tehnologije, i dalje je neophodno da na stanici za punjenje baterije provedete mnogo više vremena nego na benzinskoj pumpi.

Pre nekoliko godina, bio je rasprostranjen stav da je baterija nekog električnog automobila dobra ako može da se za manje od 30 minuta dopuni sa 20 odsto kapaciteta na 80. Danas se proizvođači hvale kako je kod njihovih najnovijih modela ta vrednost između 15 i 20 minuta, a pošto je ukupni kapacitet baterije veći nego ranije, duže je i ukupno vreme autonomije vozila. Ipak, ta brzina punjenja plaća se skraćenjem životnog veka, jer što se puni „jačom” strujom, to se baterija više zagreva i njen maksimalni kapacitet vremenom smanjuje.

Rešenje ovih problema, naravno, postoji i ono je tema ovog teksta. U pitanju su, takozvane, redoks baterije, čija konstrukcija i hemijski sastav omogućavaju nešto što nije moguće kod aktuelnih favorita među baterijama, bez obzira na to da li se radi o onima zasnovanim na litijumu ili na niklu.

Redoks

Ako ste redovni čitalac „Sveta kompjutera”, onda već znate da na ovim stranama volimo da pišemo o razvoju i unapređivanju tehnologija baterija. U jednom od tih tekstova (SK 06/2011, i.sk.rs/13694) pisali smo i o hemijskim osnovama rada različitih tipova baterija, kao i o njihovoj specifičnoj varijanti, zvanoj protočne ili redoks baterije. U pitanju su ogromne baterije u kojima se skladištenje energije i strujanje elektrona obavlja zahvaljujući oksidaciji i redukciji na elektrodama između kojih se kreće tečni medijum, zasićen jonima vanadijuma (prelazni metal sa atomskim brojem 23) koji služe kao nosioci električnog naboja (naelektrisanja). Ove baterije konstruišu se u okviru velikih postrojenja (čija snaga se meri desetinama megavata) koja služe za balansiranje opterećenja u električnim mrežama, a sve zahvaljujući njihovom svojstvu da veoma brzo uskladište ili otpuste velike količine električne energije, kao i da je čuvaju na duže vremenske periode, ukoliko je to potrebno.

Redoks tehnologija mogla bi da reši problem sa brzim punjenjem automobilskih baterija na očigledan način: pošto je nosilac naelektrisanja u tečnom medijumu, baterija može da se napuni tako što se „prazna” tečnost zameni „punom” (odnosno, razelektrisana naelektrisanom). Istina, situacija je, ipak, malo komplikovanija od standardnog točenja goriva, jer bi zahtevala pumpu sa četiri mlaznice umesto jedne. Automobilska redoks baterija morala bi da ima četiri rezervoara, po jedan za „puni” i „prazni” pozitivni elektrolit i po jedan za dve negativne varijante. Ipak, pošto bi pumpa istovremeno dodavala dva puna i praznila dva prazna elektrolita, ceo postupak se za krajnjeg korisnika ne bi razlikovao od današnjeg točenja goriva.

Dodatni bonus u celoj priči bio bi u činjenici da ovakvo „gorivo” nije zapaljivo, kao što je to slučaj sa benzinom ili eksplozivno kao vodonik, na primer. Razlog zašto ovakav sistem već nije implementiran leži u ograničenjima klasične redoks tehnologije. Ova vrsta baterija, prosto, ima previše nisku energetsku gustinu, što je uslovljeno njihovom hemijom. Ne samo što je atom/jon vanadijuma znatno veći od litijuma (atomski broj 3), nego njegov maksimalan stepen rastvorivosti u tečnosti nije dovoljno visok da bi minijaturizovana verzija takve baterije mogla da se koristi u komercijalnom vozilu ili prenosnom električnom uređaju. Ova prepreka, koja je pre nekoliko godina delovala nepremostivo, danas ima rešenje - u vidu nanočestica.

Rešenje je krajnje elegantno. Umesto rastvaranja vanadijuma (ili nekog drugog elementa) u nekoj tečnosti, stvara se suspenzija nanočestica, što znači da količina naelektrisanja ne zavisi od rastvorljivosti. U tom trenutku, najbitnija prepreka za funkcionisanje baterije postaje gustina same tečnosti u kojoj su nanočestice suspendovane. Taj problem takođe se rešava nanotehnologijom, to jest, stvaranjem nanočestica koje su istovremeno dobri nosači električnog naboja, ali je njihova površina takva da sprečava njihovo međusobno nagomilavanje ili taloženje usled gravitacije ili kretanja.

Influit

Komercijalna varijanta ovakvog goriva već postoji i delo je kompanije Influit Energy iz Ilinoisa, koja je u saradnji sa NASA i DARPA već razvila dve generacije novog tipa protočnih redoks baterija koje koriste tečnost, pomalo nezgrapno, nazvanu „nanoelektrogorivo niske viskoznosti” (low viscosity nanoelectrofuel) ili kraće, samoNEF. Tačan hemijski sastav ove tečnosti i arhitektura nanočestica je, za sada, Influitova patentirana poslovna tajna. Ono što nije tajna (i čime se predstavnici ove kompanije hvale na sav glas) su impresivne vrednosti energetske gustine koje postižu redoks baterije sa NEF-om. Prva generacija Influitovih baterija ima 23 odsto veću energetsku gustinu od najboljih tečnih litijum-jonskih baterija (onih koje se danas nalaze u novim električnim automobilima). Druga generacija, pak, može da se pohvali sa čak 30 odsto većom gustinom od, za sada, slabo dostupnih (i veoma skupih) solid state litijum-jonskih modela, što je oko pet puta veća gustina od tečnih li-jon baterija. Ovaj Gen2 model, za sada, postoji samo u laboratorijskim uslovima, ali se očekuje da će do kraja godine prototip pune veličine biti ugrađen u komercijalno vozilo radi demonstracije njegovih mogućnosti.

Kada se navode ovako impresivne vrednosti, trenutno se nameće diskusija o ekonomskoj strani priče, odnosno, isplativosti celog sistema. Iz kompanije Influit tvrde da je cena skladištenja energije po kilovat-času kod njihove Gen1 baterije identična onoj kod komercijalnih litijum-jonskih baterija u današnjim automobilima - oko 140 dolara, dok bi Gen2 baterije tu vrednost spustile ispod 90 dolara.

Dodatna ekonomska prednost ovog sistema baterija leži u činjenici da njihova implementacija ne mora da čeka na potpuno novu infrastrukturu. Naime, dok se čeka na pravljenje ili konverziju pumpi sa rezervoarima iz kojih se toči NEF, automobili sa ovakvim baterijama mogu sasvim normalno da se pune na današnjim stanicama za punjenje električnih automobila.

• • •

Razvoj novih materijala i tehnologija nastavlja sa unapređivanjem karakteristika vozila koja koristimo danas, kao i onih koja ćemo koristiti u bliskoj budućnosti. Ko zna, možda će razvoj redoks tehnologije u dogledno vreme otići toliko daleko da će za nekoliko godina u prodavnicama moći da se kupe kontejneri sa NEF-om za dopunjavanje mobilnih telefona, kao nekada flašice sa plinom za upaljače.