Solid state baterije: Više daju i duže traju

Svaka tehnologija ima svoje granice određene zakonima fizike, i to važi i za litijum-jonske akumulatore (baterije). Utvrđeno je ispitivanjima da je kod njih neostvarivo bitno povećanje gustine energije, smanjivanje mase i brže punjenje. To su ključni činioci za poboljšanje efikasnosti i postizanje karakteristika neophodnih za ispunjavanje zahteva koje nameće svakodnevna upotreba.

Litijum-jonski akumulatori imaju gustinu energije od 150 vat-časova po kilogramu, a jedna ćelija ima napon od 3,6 do 4,35 volta i proizvodi od 2,5 do 5 amper-časova. Energija zavisi od broja aktivnih jona litijuma, interkaliranih u grafitnoj elektrodi, a proizvod je jačine električne struje za dati vremenski period i napona.

Postoje dva načina povećanja gustine energije, prvi je da anoda bude od silicijuma (Li3.75Si), umesto od grafita (LiC6). Na taj način, dobijena je za 6,9 puta jača električna struja, ali je nerešiv problem hlađenje.

Najveći proizvođači automobila opredelili su se da najviše sredstava ulože u razvoj čvrstih baterija. Nedavno je Mercedes započeo testiranje elektromobila sa čvrstim akumulatorima, koji sadrže 391 vat-čas po kilogramu, odnosno imaju za 2,6 puta veću gustinu energije od litijum-jonskih akumulatora, koji su trenutno ugrađeni u „mercedes EQS” i BMW i7. Tvrde i da se punjenje odvija brže za skoro 70% nego kod baterija sa tečnim elektrolitom.

Čvrsta baterija je uređaj koji pretvara hemijsku u električnu energiju, upotrebom čvrstog elektrolita za kretanje jona od jedne do druge elektrode. Čvrsti elektroliti imaju relativno  veliku provodnost jona. Sastavne komponente – čvrste, kao i litijum-jonske baterije, jesu pozitivna elektroda-katoda, elektrolit i negativna elektroda-anoda. Elektrode su razdvojene elektrolitom, kroz koji se kreću joni.

Kada se elektroni kreću od katode ka anodi raste potencijalna energija baterije i tako se odvija punjenje. Kada sa anode elektroni dospeju u spoljno električno kolo, baterija se prazni, a na taj način se dobija električna struja za napajanje, na primer elektromotora, koji pokreću elektromobile.

Postoje dve bitne razlike između litijum-jonskih i čvrstih baterija. Litijum-jonske baterije koriste tečni elektrolit ili gel, a čvrste baterije imaju čvrst elektrolit. Faradej je prvi, u periodu između 1831. i 1834. godine, otkrio čvrste elektrolite, srebro-sulfid (Ag2S) i olovo(II)fluorid (PbF2). Prvi čvrsti elektrolit koji je bio upotrebljiv na sobnoj temperaturi nastao je 2011. godine. Bio je to (Li10GeP2S12) litijum-germanijum-fosfat-sulfid-LGPS, a u upotrebi je i litijum-fosfat-nitrat-oksid (LIPON), kao i litijumovi polimeri, nastali rastvaranjem litijumovih soli (na primer litijum-heksafluorofosfat-LiPF6) u polietilen glikolu (H−(O−CH2−CH2)n−OH). Za izradu čvrstih elektrolita koriste se i lantanoidi, takozvane retke zemlje ili retki elementi, i to jedinjenje litijuma, lantana, cirkonijuma, tantala i kiseonika (Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12).

Kod litijum-jonskih akumulatora, zbog tečnog elektrolita, neophodni su separatori ispred obe elektrode, da ne bi došlo do mešanja elektrolita, onog koji se nalazi blizu jedne elektrode, sa onim koji se nalazi ispred druge elektrode, jer su različito naelektrisani. Kod čvrstih baterija, čvrsti elektrolit razdvaja suprotno naelektrisane elektrode, katodu i anodu.

Teorijski, čvrste baterije imaju više prednosti. Otpornije su na visoke temperature i manje su mogućnosti da dođe do požara. Manji uticaj imaju i hladni uslovi, za razliku od litijum-jonskih baterija, kod kojih se joni na nižim temperaturama sporije kreću, što dovodi da u mrežu dospeva manje elektrona, a time je na kraju dobijeno i manje snage na elektromotoru. Kod čvrstih baterija, uticaj spoljnih faktora je minimiziran.  

Veća gustina energije omogućava da mogu duže da snabdevaju energijom potrošače i konkretno da omogućavaju veći domet kod elektromobila. Naravno, mogu se koristiti baterije manje mase, na primer kod sportskih modela.

Kod litijum-jonskih baterija, pri projektovanju i izradi, neophodno je da se obezbedi da ne dođe do curenja tečnog elektrolita. Kod čvrstih baterija, moguće je da budu manje, tanje ili čak zaobljene ili zakrivljene. Proizvođači testiraju i ćeliju sa anodom napravljenom od litijuma, kao i sa katodom od litijuma (LiFePO4, LiCoO2) i anodom od bakra, pri čemu bi negativna elektroda služila samo za prikupljanje elektrona dobijenih od atoma litijuma. Natrijum je odbačen, jer ima molarnu masu veću za 3,3 puta od litijuma, a jedan atom takođe daje jedan elektron. Jedan gram litijuma daje naelektrisanje od 13.901 kulona. Pri naponu od 3 volta, jedan gram litijuma daje energiju od 41,7 kilodžula, ili 41,7 megadžula po kilogramu, odnosno 11,6 kvč/kg. Ali, masu baterije povećava katoda napravljena od kobalta, nikla i mangana.

Procena je da čvrsti elektroliti duže zadržavaju svoje osobine od tečnih, da su manje  podložni razgradnji i propadanju i gubitku primarnih osobina. Litijum-jonske baterije imaju ograničen broj punjenja. Njihov radni vek je oko 200.000 km, dok bi čvrste baterije mogle da traju milion kilometara ili kao i dizel i benzinski motori. Za izradu čvrstih akumulatora potrebno je više litijuma, ali manje grafita i kobalta. Zbog manje upotrebe materijala, manja su i zagađenja okoline, vode i vazduha.

Čvrste baterije su otpornije na visoke temperature u poređenju sa litijum-jonskim, a i brže se pune

Bitna karakteristika baterije je i brzina kretanja jona kroz elektrolit, a ne samo gustina energije, jer jačina električne struje zavisi od promene naelektrisanja u datom vremenskom periodu.

Prema izjavama odgovornih, predstoji dug period testiranja, a najveće prepreke su visoka cena čvrstih baterija i oštećenja elektroda do kojih dolazi u procesima reakcija. Tako na površini anode nastaju proširenja u obliku drveta, takozvani dendriti, koji prodiru u čvrsti elektrolit, što dovodi do smanjivanja broja elektrona, pražnjenja, pregrevanja i u ekstremnim situacijama do požara. Tačan razlog nastajanja i širenja dendrita još uvek je u fazi istraživanja. Utvrđeno je da nastaju na mestima mikro-pukotina u anodi, koje izaziva pritisak između anode i čvrstog elektrolita. Umanjivanje rasta dendrita može da bude ostvareno radom ćelije na većim temperaturama. Cilj je i postizanje napona u ćeliji od 4,5 volti, kao i gustine energije od 400 vat-časova po kilogramu. Ipak, sva je prilika da ćemo bez obzira na brojne prednosti morati da sačekamo još nekoliko godina do komercijalne upotrebe čvrstih baterija. Neophodan je period ispitivanja i uklanjanja nedostataka. Procene proizvođača kada će početi serijska proizvodnja se razlikuju, a većina proizvođača smatra da je malo verovatno da će one dospeti na tržište pre 2030. godine.