Porsche chystá vývoj vysokovýkonných Li-ion batérií do elektromobilov
Nová generácia vysokovýkonných Li-ion batérií sa zrodí z expertízy tých najlepších firiem v obore. Články bude dodávať spoločnosť BASF.
„Batériový článok je niečo ako spaľovacia komora budúcnosti.“ To je výrok Olivera Blumea, keď oznamoval založenie joint venture medzi Porsche a spoločnosťou Customcells, ktorá sa špecializuje na výrobu pokrokových článkov batérií na mieru. Táto joint venture sa dnes nazýva Cellforce Group a práve do nej pribudol ďalší partner – spoločnosť BASF. Cieľ? Vývoj novej generácie lítium-iónových batérií. Porsche je totiž jedna z mála automobilových značiek, ktorá sa pri najpokrokovejších technológiách nespolieha na ich nákup od dodávateľov, ale sama sa podieľa na ich vývoji, pričom ich potom testuje v tom najnáročnejšom prostredí, aké pre automobil existuje: v motoristickom športe. Technológiu, ktorú nájdete v modeli Porsche Taycan taktiež ovplyvnilo to, čo sa Porsche naučilo na pretekárskej trati so svojím modelom Porsche 919 Hybrid, s ktorým zvíťazili na Le Mans.
Tajomstvo vysokovýkonnej batérie
Nezaujatý pozorovateľ si môže myslieť, že rozdiely medzi batériami sú principiálne iba v ich kapacite a hmotnosti. Skutočnosť je však oveľa zložitejšia, najmä pri vysokých nárokoch, aké má Porsche. Dôležité sú aj rozmery batérie pri danej kapacite, a teda ich energetická hustota. Batéria musí byť schopná odovzdať naraz obrovské množstvo energie pre dosiahnutie maximálneho výkonu a teda zrýchlenia, a zároveň ju veľmi rýchlo prijať pre čo najúčinnejšiu rekuperáciu pri brzdení a schopnosť rýchleho nabíjania. Batéria musí podávať konzistentné výkony aj pri vysokých teplotách. Premenných je veľa a finálne vlastnosti batérie ovplyvňuje materiál na anóde a katóde, ako aj použitý elektrolyt. A čo je najlepšie, niektoré vlastnosti sa navzájom vylučujú. Dr. Stefanie Edelberg, ktorá pracuje ako inžinierka v Porsche Engineering hovorí, že nemôžete mať všetko naraz. Ultrarýchle nabíjanie a vysoká energetická hustota? To zatiaľ nie je možné, lebo by utrpela životnosť batérie. Ale vývoj možno prinesie menšie kompromisy.
Najväčšie výzvy
Zatiaľ najväčšou výzvou je kombinácia rýchleho nabíjania, bezpečnosti a životnosti. Rýchle nabíjanie je výzvou preto, lebo atómy lítia počas nabíjania migrujú do uhlíkových kryštálov elektródy. Pri vybíjaní sa odtiaľ zas uvoľňujú. Čím rýchlejšie sa batéria nabíja, tým väčšie je riziko, že nosiče náboja sa prilepia na povrch kryštálu, čím sa vytvorí metalický povrch a zničí sa článok. „Kapacita a výkon sa teda znižujú s každým rýchlym nabíjaním. V extrémnych prípadoch môže dokonca nastať skrat,“ vysvetľuje Dirk Uwe Sauer, profesor elektrochemickej premeny energie a technológii jej ukladania z univerzity RWTH Aachen. „Zatiaľ však nie je jednoduché povedať, čo „príliš rýchlo“ znamená. O tom prebieha na mnohých miestach intenzívny výskum – či už v laboratóriách, alebo aj v samotných automobiloch.“
Napríklad nová technológia batériových článkov spoločnosti Cellforce sa spolieha na silikón ako materiál pre anódu. Vďaka tomuto materiálu je možné výrazne zvýšiť energetickú hustotu oproti súčasným batériám. Ponúkne rovnakú kapacitu pri menšej veľkosti. Nová chémia znižuje vnútorný odpor batérie, vďaka čomu dokáže absorbovať ešte viac energie počas rekuperácie a taktiež sa zlepšuje výkon pri rýchlom nabíjaní. Ďalšou špecialitou batérie Cellforce je fakt, že dobre znáša vysoké teploty. To sú všetko kvality, ktoré sú veľmi cenné v motoristickom športe. Na druhej strane, motoršport zriedka vyžaduje, aby batérie fungovali aj v teplotách pod bodom mrazu a dlhodobá stabilita a udržanie kapacity aj po mnohých nabíjacích cykloch taktiež nie je prioritou. To sú ciele, ku ktorým sa musí nová technológia ešte prepracovať.
Úloha BASF
V rámci spolupráce bude úlohou BASF dodávať vysoko energetické HED™ NCM katódové aktívne materiály, ktoré pomôžu vysokovýkonným batériovým článkom k rýchlemu nabíjaniu a vysokej energetickej hustote. Samotnú batériu bude vyrábať spoločnosť Cellforce Group, ktorá sídli v nemeckom Tübingene. Jej fabrika na výrobu batérií má začať vyrábať v roku 2024 s počiatočnou kapacitou minimálne 100 MWh ročne, teda približne pre 1 000 pretekárskych a vysokovýkonných vozidiel.
Ako globálny líder v dodávaní vysokovýkonných katódových aktívnych materiálov s veľmi silnou sieťou výskumu a vývoja je spoločnosť BASF v ideálnej pozícii na to, aby spolupracovala so svojimi partnermi a podieľala sa na obehovom hospodárstve, teda ekonomickom modeli uprednostňujúcom recykláciu materiálov. So svojimi fabrikami na prekurzory katódových aktívnych materiálov vo fínskom meste Harjavalta a pre katódové aktívne materiály v nemeckom Schwarzheide, bude spoločnosť BASF schopná poskytnúť materiály do batérií s vynikajúcim záznamom o udržateľnosti vďaka zodpovednému a aj spoľahlivému vyhľadávaniu čistých surovín. Cieľom je dosiahnuť najnižšiu uhlíkovú stopu v rámci dodávateľského reťazca už v roku 2022. A aby sa kruh uzatvoril, výrobný odpad z budúcej fabriky Cellforce Group bude recyklovaný v prototypovej fabrike na recykláciu batérií spoločnosti BASF v Schwarzheide. Lítium, nikel, kobalt a mangán sa budú recyklovať v rámci hydrometalurgického procesu a znovu sa zavedú do výrobného procesu katódových aktívnych materiálov spoločnosti BASF.
Katódové aktívne materiály sú jedným z kľúčových prvkov, ktoré ovplyvňujú stabilitu článkov alebo schopnosti rýchleho nabíjania a tie od BASF spĺňajú tie najnáročnejšie požiadavky od Porsche. „Spoločnosť BASF je navyše veľmi odhodlaná adaptovať katódové aktívne materiály požiadavkám novej generácie silikónových anód. A v oblasti výroby sme s BASF taktiež vymysleli koncept, kde by odpad generovaný z výroby v rôznych oblastiach mohol byť zbieraný a opätovne použitý v uzavretej recyklácii. To šetrí náklady, chráni zdroje a rovnako aj životné prostredie,“ hovorí Markus Gräf, konateľ spoločnosti Cellforce Group.