Kad rūpnieciskos apjomos sāks ražot cietvielu akumulatorus, ar tiem automašīna varēs vālēt simtiem kilometru ar vienu uzlādi. Tas būs milzīgs solis uz priekšu tehnoloģiju attīstībā.
Taču mazliet vēl jāpagaida, jo ar tiem ir ķibeles. Zinātnieki nupat ir tikuši tik tālu, ka zina, kāpēc akumulatori nestrādā pietiekami labi. Kad jau tas ir noskaidrots, jādomā, ka drīz tiks saprasts arī, kā problēmu novērst.
Elektroauto ir burvīga lieta, bet...
Latvijā ļaudis pērk aizvien vairāk elektroauto, kas aprīkoti ar litija jonu akumulatoriem, jo ar tiem drīkst braukt pa sabiedriskajam transportam paredzētajām joslām, drīkst stāvēt bez maksas kaut vai Vecrīgā un ir valstiska veicināšanas programma, kas pie elektroauto iegādes ļauj dabūt atlaides.
Pa Latvijas ceļiem jau brauc aptuveni 14,5 tūkstoši elektroauto. 2025. gadā Latvijā tika reģistrēti 1606 jauni elektroauto, kas ir par 26,6% vairāk nekā 2024. gadā.
Taču elektroautomobilim ir arī trūkumi - ar vienu uzlādi var nobraukt 200 kilometrus, atsevišķas markas spēj nobraukt līdz 600 kilometriem. Tas nav slikti, tomēr elektroauto zaudē automašīnām ar iekšdedzes dzinējiem, kuru īpašniekiem tik bieži nav jādomā, cik vēl var nobraukt un kur uzpildīties.
Elektromotori tika izgudroti jau 19. gadsimtā, taču agrāko laiku baterijas aizņēma pārāk daudz vietas un ar tām necik tālu ceļa gabalu nevarēja nobraukt.
Būtisks pavērsiens notika, kad tika izgudrots litija jonu akumulators, ko izstrādāja trīs galvenie zinātnieki, kuri dalīja 2019. gada Nobela prēmiju ķīmijā: M. Stenlijs Vitingems, Džons B. Gudenahs un Akira Jošino. Viņu kopīgie sasniegumi 20. gadsimta 70. un 80. gados lika pamatu mūsdienu uzlādējamajiem akumulatoriem. Litija jonu tehnoloģijas tagad nodrošina visu ko, no viedtālruņiem līdz elektroautomobiļiem.
Ir beidzot saprasts, kur suns aprakts
Zinātne zina, kādai jābūt automobiļu, kuģu un lidaparātu nākotnei - nākamajam solim jābūt cietvielu baterijām, kas ļaus braukt tālu un kuru izmēri būs salīdzinoši mazāki.
Taču ir viena liela problēma - nav bijusi atklāta mīkla, kāpēc cietvielu akumulatori diez cik labi nedarbojas.
Un tikai nupat nesen zinātnieki ir identificējuši cietvielu akumulatoru atteices pamatcēloņus, atklājot, ka elektrolīta plaisāšanu rada iekšējais spiediens, bet elektriskā nelīdzsvarotība izraisa litija struktūru izplešanos, kas izraisa īssavienojumus. Šie atklājumi varētu paātrināt komercializāciju, pārvēršot ilgstošu zinātnisku noslēpumu par atrisināmu inženiertehnisku problēmu, raksta “Oilprice”.
Akumulatoros ieguldīti miljardi
Automobiļu ražotāji, tostarp “Toyota”, “Honda”, “Mercedes-Benz” un BMW, iegulda miljardus cietvielu akumulatoros, un komerciāla elektrotransportlīdzekļu ieviešana ir paredzēta šīs desmitgades otrajā pusē.
Zinātnieki tagad zina, kāpēc cietvielu akumulatori ir atkārtoti sabojājušies. Divos atsevišķos pētījumos ir identificēti fizikālie procesi, kuri izraisa īssavienojumus, kas gadiem ilgi ir aizkavējuši komercializāciju, pārvēršot vienu no nozares lielākajiem nezināmajiem par definētu inženiertehnisku problēmu. Gadiem ilgi inženieri zināja, kā cietvielu akumulatori sabojājas, bet ne to, kāpēc. Baterijās atkārtoti veidojās iekšējie īsslēgumi, jo šūnas iekšpusē veidojās mikroskopiskas litija struktūras, kas galu galā caurdūra barjeru, kas atdala akumulatora pozitīvo un negatīvo pusi.
Pētnieki varēja redzēt, kas notiek, taču viņi nevarēja izskaidrot, kas izraisīja šo struktūru veidošanos vai kā tām izdevās iekļūt materiālā, kas īpaši paredzēts to bloķēšanai. Divas neatkarīgas pētnieku komandas tagad ir atbildējušas uz dažādām šī jautājuma daļām. Žurnālā “Nature” publicētā rakstā Vācijas Maksa Planka Ilgtspējīgu materiālu institūta zinātnieki atklāj, ka litija nogulsnes uzlādes laikā rada milzīgu iekšējo spiedienu, galu galā radot plaisas cietā elektrolīta iekšpusē.
Atsevišķi pētnieki no Minhenes Tehniskās universitātes un tās sadarbības iestādēm ziņo žurnālā “Nature Nanotechnology”, ka niecīga elektriskā nelīdzsvarotība elektrolītā rada apstākļus, kas ļauj nevēlamajām litija struktūrām sākt augt. Šie atklājumi varētu novērst lielu zinātnisku nenoteiktību tieši laikā, kad autoražotāji un akumulatoru ražotāji iegulda miljardus dolāru, lai ieviestu cietvielu akumulatorus komerciālā ražošanā. Cietvielu akumulatori tiek uzskatīti par nākamo lielo sasniegumu akumulatoru tehnoloģijā, jo tie sola nodrošināt lielāku braukšanas attālumu, ātrāku uzlādi, uzlabotu drošību un lielāku enerģijas blīvumu nekā mūsdienu litija jonu akumulatori. Šķidrā elektrolīta aizstāšana ar cietu materiālu samazinātu pārkaršanas risku un ļautu ražotājiem tajā pašā fiziskajā telpā ietilpināt vairāk enerģijas, padarot šo tehnoloģiju pievilcīgu ne tikai elektrotransportlīdzekļiem, bet arī aviācijai, aizsardzībai un tīkla mēroga enerģijas uzkrāšanai.
Autobūves nozare nenolaiž rokas
Atkārtotās neveiksmes nekad nav pārliecinājušas autobūves nozari, ka cietvielu akumulatori nav darbspējīgi. Tā vietā ražotāji izvēlējās tos uzskatīt par inženiertehnisku problēmu, kuru galu galā varētu atrisināt. Šķiet, ka ražotāji ir pārliecināti, ka cietvielu akumulatori pilnībā pārveidos elektrotransportlīdzekļu nozari. Ražotāji šo pārliecību ir pārvērtuši miljardu dolāru investīcijās.
“Honda” jau ir uzbūvējusi demonstrācijas ražošanas līniju, lai izstrādātu masveida ražošanai nepieciešamās metodes.
“Toyota” turpina mērķēt uz komerciālu ieviešanu vēlāk šajā desmitgadē, savukārt “Mercedes-Benz”, BMW, “Stellantis”, “Hyundai”, “Samsung SDI”, CATL, “QuantumScape”, “Solid Power” un “Factorial Energy” ir paplašinājuši pilotražošanas, stratēģiskās partnerības un transportlīdzekļu testēšanas programmas, neskatoties uz tehnoloģijas pagaidām neatrisinātajām zinātniskajām problēmām. “Honda” ir iztērējusi aptuveni 280 miljonus ASV dolāru 27 400 kvadrātmetru lielas cietvielu akumulatoru ražošanas līnijas izbūvei Sakuras pilsētā Japānā. Iekārta ietver visu ražošanas procesu, no elektrodu materiālu sajaukšanas un pārklāšanas līdz šūnu veidošanai un moduļu montāžai. Akumulatoru ražošanas sākums bija paredzēts 2025. gada janvārī, un “Honda” testēs ražošanas izmaksas, šūnu specifikācijas un masveida ražošanas metodes, pirms desmitgades otrajā pusē tiks ražoti elektroautomobiļi. “Honda” montāžas laikā izmanto ruļļu presēšanu, lai saspiestu cieto elektrolītu, samazinot mikroskopiskās gaisa spraugas, kas kavē jonu kustību, vienlaikus vienkāršojot liela mēroga ražošanu. Uzņēmums arī izstrādā plānākas dzesēšanas sistēmas, ko nodrošina cietvielu akumulatoru lielākā termiskā stabilitāte, samazinot gan akumulatora svaru, gan ražošanas sarežģītību. “Mercedes-Benz” jau ir laidis klajā cietvielu akumulatoru uz publiskiem ceļiem. Šī gada sākumā uzņēmums atklāja modificētu EQS, kas aprīkots ar litija metāla elementiem, ko piegādā “Factorial Energy”. Testēšanas laikā transportlīdzeklis ar vienu uzlādi nobrauca 1205 kilometrus starp Štutgarti un Malmi un pabeidza ceļojumu ar paredzamo atlikušo nobraucamo attālumu 137 kilometri. BMW testē lielformāta “Solid Power” elementus i7 automašīnā uz publiskiem ceļiem ap Minheni. Programmas ietvaros tiek pētīta elementu izplešanās, darba spiediens un temperatūras kontrole pilnā transportlīdzekļa komplektā. BMW ir arī licencējis “Solid Power” ražošanas tehnoloģiju prototipa elementu līnijai savā elementu ražošanas kompetences centrā Parsdorfā.
“Idemitsu” būvē lielu pilotrūpnīcu sulfīda cieto elektrolītu ražošanai, kas ir viens no svarīgākajiem nākamās paaudzes “Toyota” automašīnu akumulatoru elementiem. Rūpnīca ražos litija sulfīdu, izmantojot sēru, kas iegūts no naftas pārstrādes, pirms to pārveidos par cieto elektrolītu materiālu automobiļu akumulatoriem.
“Toyota” plāno sākt transportlīdzekļu komerciālu ražošanu, izmantojot šo tehnoloģiju, 2027.-2028. gadā. Pētnieki tagad zina, ka elektrolītu plaisu novēršana un lokalizētu strāvas koncentrāciju nomākšana noteiks, vai cietvielu akumulatori var izturēt atkārtotus uzlādes ciklus ārpus laboratorijas. Taču komercializācija nav garantēta. Kad pašlaik zināmās problēmas būs atrisinātas, ražotājiem būs jāpierāda, ka cietvielu akumulatorus var ražot konsekventi automobiļu mērogā, tie var izturēt tūkstošiem uzlādes ciklu un sasniegt izmaksu līmeni, kas konkurē ar mūsdienu litija jonu akumulatoriem. Tāpēc uzņēmumi turpina ieguldīt simtiem miljonu dolāru pilotražošanas līnijās gadus pirms masveida transportlīdzekļu ierašanās tirgū. “Toyota” joprojām plāno ieviest savus pirmos cietvielu akumulatorus 2027.-2028. gadā. “Honda” mērķē uz desmitgades otro pusi. “Mercedes-Benz”, BMW un vairāki akumulatoru ražotāji jau ir pārgājuši no laboratorijas elementiem uz transportlīdzekļiem, kas darbojas uz koplietošanas ceļiem. Šī drīz kļūs par industriālu sacensību, raksta Džulianna Geigere vietnē “Oilprice.com”.
Vai ķīnieši aiztrauksies visiem garām?
Jāatzīmē arī uzņēmums “QuantumScape”, kas piesaistījis investīcijas no “Volkswagen” un Bila Geitsa. “QuantumScape” dibinātājs un izpilddirektors ir Džagdīps Singhs. Uzņēmums jau 2020. gadā apgalvoja, ka ir izstrādājis cietvielu akumulatoru, kas var palielināt elektromobiļa nobraucamo attālumu par vairāk nekā 80%.
Šis uzņēmums strādā arī pie litija-sēra, litija-gaisa, un cinka-gaisa akumulatoru izstrādes, kas jau tad ir nevis rītdienas, bet aizparīta tehnoloģijas, kur vēl daudz mazākiem un vieglākiem akumulatoriem būs vēl lielāka enerģija.
Pirms diviem gadiem Eiropas, ASV un Japānas auto nozari sašokēja ziņa, ka Ķīnas valstij piederošais Šanhajas uzņēmums SAIC jau pēc diviem gadiem gatavojas sākt masveida cietvielu akumulatoru ražošanu.
Pirmie “premium” klases zīmola “IM Motors” modeļi ar jaunajiem akumulatoriem tiks piegādāti jau 2027. gada sākumā, 2024. gadā vēstīja “Frankfurter Allgemeine Zeitung”.
Viss kas var būt - divi gadi ir pagājuši, 2027. gads nav vairs tālu. Varbūt ķīniešu zinātnieki ir atklājuši ne tikai to, kāpēc cietajā elektrolītā rodas plaisas un īssavienojumi, bet ir jau izdomājuši, kā problēmu novērst?
