Τροφοδοτώντας το μέλλον: Καινοτομίες στις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, από την παραγωγή έως την ανακύκλωση

Οι εξελίξεις στην τεχνολογία των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων (EV) πρωτοστατούν στην κάλυψη των αυξανόμενων προσδοκιών των πελατών όσον αφορά την απόδοση, τη βιωσιμότητα και την αποδοτικότητα και είναι κρίσιμες για την ευρύτερη υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων σε όλο τον κόσμο.

Σε αυτό το άρθρο, θα διερευνήσουμε πώς η πιο αποδοτική, οικονομικά συμφέρουσα και βιώσιμη τεχνολογία μπαταριών αναμένεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη της επόμενης γενιάς ηλεκτρικών οχημάτων.

Από τις τελευταίες εξελίξεις στην καινοτομία και την απόδοση έως τις επιλογές ανακύκλωσης και δεύτερης ζωής, θα δείξουμε πώς οι καινοτομίες στις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν για πάντα την αγορά της κινητικότητας

Καινοτομία στην παραγωγή: κατασκευή μπαταριών επόμενης γενιάς

Επί του παρόντος, οι μπαταρίες NMC (νικελίου-μαγγανίου-κοβαλτίου) και LFP (φωσφορικού σιδήρου λιθίου) είναι οι πιο δημοφιλείς τύποι μπαταριών στην αγορά. Ενώ οι μπαταρίες NMC προτιμώνται λόγω της υψηλότερης ενεργειακής πυκνότητας τους, που επιτρέπει μεγαλύτερη αυτονομία οδήγησης, πολλά ηλεκτρικά αυτοκίνητα σε βασική έκδοση χρησιμοποιούν μπαταρίες LFP λόγω της οικονομικής τους αποδοτικότητας και του μεγαλύτερου κύκλου ζωής τους. Τα πλεονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου έχουν υποστηρίξει την ανάπτυξη της βιομηχανίας των ηλεκτρικών οχημάτων μέχρι σήμερα, χάρη στην υψηλή ενέργεια, τον μεγάλο κύκλο ζωής και τις ιδιότητες γρήγορης φόρτισης. Ωστόσο, οι ανησυχίες σχετικά με το κόστος, τη διάρκεια ζωής, την ασφάλεια και τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο των μπαταριών ιόντων λιθίου αυξάνονται καθώς η βιομηχανία επεκτείνεται.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, λιθίου-μετάλλου και προηγμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι μερικές από τις επιλογές για βελτιωμένες μπαταρίες επόμενης γενιάς. Η σύγκριση της ενεργειακής απόδοσης των ηλεκτρικών οχημάτων δείχνει ότι διαφορετικοί τύποι μπαταριών έχουν την ικανότητα για καλύτερη απόδοση, όπως φαίνεται σε αυτό το συγκριτικό διάγραμμα.

_{Πηγή: Electric vehicle batteries comparison | Download Scientific Diagram}

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης πρωτοστατούν

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης φαίνεται να κρατούν το κλειδί για την επανάσταση στη βιομηχανία μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και χωρίς το εύφλεκτο υγρό των ιόντων λιθίου, αποτελούν μια ασφαλέστερη και αποδοτικότερη επιλογή. Aποθηκεύοντας περισσότερη ενέργεια σε ένα μικρότερο και ελαφρύτερο πακέτο, ο σχεδιασμός τόσο των μπαταριών όσο και των ηλεκτρικών οχημάτων θα μπορούσε να βελτιωθεί.

Η ταχύτερη φόρτιση μειώνει το κόστος και το χρόνο φόρτισης, γεγονός που, σε συνδυασμό με την παρατεταμένη διάρκεια ζωής και την καλύτερη απόκριση σε ακραίες θερμοκρασίες, βελτιώνει τη συνολική απόδοση. Επιπλέον, η ευρύτερη γκάμα φθηνότερων και φιλικότερων υλικών στην κατασκευή τους μειώνει τον περιβαλλοντικό τους αντίκτυπο.

Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν για την εισαγωγή των μπαταριών στερεάς κατάστασης στην αγορά, καθώς και εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν πριν τα επιτυχημένα πειράματα μεταφραστούν σε κλιμακωτή παραγωγή. Τα προβλήματα με την απόδοση υπό συνθήκες πίεσης θερμοκρασίας, υψομέτρου και δόνησης θα χρειαστεί χρόνος για να επιλυθούν πριν η ευρύτερη υιοθέτησή τους γίνει κλιμακωτή και ασφαλής.

Αν και η επιστήμη έχει σχεδόν φτάσει στο επιθυμητό επίπεδο και υπάρχουν μεγάλης κλίμακας επενδύσεις από τη βιομηχανία, η μαζική υιοθέτηση της τεχνολογίας αναμένεται να πραγματοποιηθεί εντός της επόμενης δεκαετίας.

Bελτιώσεις στη χημεία των μπαταριών που επιτρέπουν θεμελιώδεις αλλαγές

Μόνο καλύτερες και φθηνότερες επιλογές μπαταριών θα καταστήσουν δυνατή την υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων σε κλίμακα που αναμένουν οι κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο. Καθώς η επικύρωση των μπαταριών στερεάς κατάστασης ως το επόμενο μεγάλο βήμα απαιτεί χρόνο για να είναι έτοιμες για παραγωγή, υπάρχουν βελτιώσεις στη χημεία των μπαταριών που υπόσχονται πιο άμεσες βελτιώσεις στη διάρκεια ζωής και την χωρητικότητα των μπαταριών.

• Η χρήση πυριτίου αντί για τις παραδοσιακές ανόδους γραφίτη μειώνει το βάρος, αυξάνει την πυκνότητα και βελτιώνει την απόδοση.
• Οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν επίσης υψηλότερη πυκνότητα, χαμηλότερο κόστος και χρησιμοποιούν πιο βιώσιμα υλικά. Ωστόσο, υπάρχουν προκλήσεις που πρέπει να επιλυθούν όσον αφορά τον κύκλο ζωής και τη σταθερότητα.
• Το νάτριο είναι μια πιο εύκολα διαθέσιμη εναλλακτική λύση σε σχέση με το λίθιο, επιτρέποντας την παραγωγή πιο βιώσιμων και φθηνότερων μπαταριών ιόντων νατρίου.
• Η χρήση μεταλλικού λιθίου στις μπαταρίες θα μπορούσε να διπλασιάσει την ενεργειακή πυκνότητα και την αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων.

Κερδίζοντας τον αγώνα παραγωγής για την κάλυψη της μελλοντικής ζήτησης

Μόνο στην Ευρώπη έχουν προγραμματιστεί 30 μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις παραγωγής, οι λεγόμενες «gigafactories», με στόχο την κάλυψη της αυξανόμενης ζήτησης για μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων και την επίτευξη οικονομιών κλίμακας, όλα αυτά με τη βοήθεια σημαντικών επενδύσεων.

Οι κυβερνήσεις προσφέρουν κίνητρα στις επιχειρήσεις για να επενδύσουν, προσφέροντας κίνητρα για να προσελκύσουν την κατασκευή μπαταριών και βοηθώντας στην αντιστάθμιση των μεγάλων κεφαλαιουχικών επενδύσεων που απαιτούνται. Το Δεκέμβριο του 2023, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή ανακοίνωσε μια επένδυση 3 δισεκατομμυρίων ευρώ για την ενίσχυση της βιομηχανίας κατασκευής μπαταριών της ΕΕ, αναγνωρίζοντας τη σημασία του εξορθολογισμού των διαδικασιών παραγωγής, της μείωσης του κόστους και της κάλυψης της αυξανόμενης ζήτησης.
 

Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων συνάπτουν στρατηγικές συνεργασίες και κοινοπραξίες με κατασκευαστές μπαταριών για να εξασφαλίσουν τον εφοδιασμό, όπως η συνεργασία μεταξύ του ομίλου BMW και της AESC στην παραγωγή και προμήθεια κυψελών μπαταριών.

Η πρώτη μονάδα παραγωγής της Tesla στην Ευρώπη, η Gigafactory Berlin-Brandeburg, υπόσχεται να κατασκευάσει εκατοντάδες χιλιάδες οχήματα Model Y και εκατομμύρια κυψέλες μπαταριών. Οι τεχνικές ταχείας κατασκευής σημαίνουν ότι αυτές οι εγκαταστάσεις μπορούν να κατασκευαστούν πολύ γρήγορα, με την Gigafactory Shanghai της Tesla να έχει ολοκληρωθεί, σύμφωνα με πληροφορίες, σε μόλις ένα χρόνο.

Βελτιώσεις στην απόδοση: ενισχύοντας την εμπειρία χρήσης ηλεκτρικών οχημάτων

Η αντιμετώπιση των κοινών ανησυχιών και αβεβαιοτήτων των πελατών σχετικά με τα ηλεκτρικά οχήματα αποτελεί βασική πρόκληση για την επιτάχυνση της υιοθέτησης των ηλεκτρικών οχημάτων. Ορισμένοι πελάτες δεν έχουν ακόμη πειστεί ότι τα ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να προσφέρουν εμπειρία συγκρίσιμη ή καλύτερη από τα συμβατικά οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Απαιτείται ταχύτερη φόρτιση, για να γίνουν τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα πιο πρακτικά για καθημερινή χρήση, μειώνοντας σημαντικά το χρόνο που χρειάζεται για ανεφοδιασμό. Για να επιτευχθεί αυτό, οι μπαταρίες χρειάζονται εποτελεσματική θερμική διαχείριση, ώστε να μην υπερθερμαίνονται, κάτι που μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και να δημιουργήσει προβλήματα ασφαλείας. Γι' αυτό αναπτύσσονται νέες τεχνολογίες ψύξης και υλικά που αντιμετωπίζουν τα προβλήματα ταχείας φόρτισης.

Η εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση (XFC) έχει αποδειχθεί ότι ξεπερνά τους περιορισμούς μεταφοράς φορτίου στις μπαταρίες ιόντων λιθίου υψηλής ενέργειας και αυξάνει την ταχύτητα επαναφόρτισης.

Εξετάζεται επίσης η τεχνολογία ανταλλαγής μπαταριών, όπου ο οδηγός ανταλλάσσει μια άδεια μπαταρία με μια πλήρως φορτισμένη, αν και για να γίνει αυτό θα πρέπει να συμφωνηθούν πρότυπα στην τεχνολογία των μπαταριών και στην ανταλλαγή μπαταριών.

Η επέκταση της αυτονομίας των ηλεκτρικών οχημάτων θα αντιμετωπίσει το σημαντικό πρόβλημα της ανησυχίας των καταναλωτών σχετικά με την αυτονομία, το οποίο συχνά αναφέρεται ως βασικό εμπόδιο για την υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων.

Μια νέα μπαταρία από την 24M ισχυρίζεται ότι βελτιώνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής και επίσης αυξάνει την αξία μεταπώλησης των ηλεκτρικών οχημάτων. Οι μπαταρίες της 24M χρησιμοποιούν μέταλλο λιθίου αντί για ιόντα λιθίου, με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα που προσφέρει αυξημένη χωρητικότητα αποθήκευσης και μεγαλύτερη αυτονομία. Αναμένεται να είναι διαθέσιμες εντός των επόμενων πέντε ετών.

Η Panasonic ανακοίνωσε μια συνεργασία με την Sila Nanotechnologies που θα οδηγήσει στη χρήση πυριτίου αντί για γραφίτη, μια αλλαγή που θα μπορούσε να εφαρμοστεί στην υπάρχουσα γραμμή παραγωγής μπαταριών της Panasonic ήδη από το 2024.

Νέα σχέδια και υλικά μπαταριών αναμένεται να βελτιώσουν την ανθεκτικότητα και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών των ηλεκτρικών οχημάτων, ενώ η βελτιωμένη θερμική διαχείριση και τα προηγμένα συστήματα διαχείρισης μπαταριών μπορούν να παρακολουθούν και να βελτιστοποιούν την απόδοση και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών.

Κλείνοντας τον κύκλο μέσω της βιωσιμότητας και της ανακύκλωσης

Επί του παρόντος, οι μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων αναμένεται να έχουν διάρκεια ζωής 15-20 ετών, ή μεταξύ 161.000-322.000χλμ. , η οποία φαίνεται ότι θα ξεπεράσει την προβλεπόμενη διάρκεια ζωής 12 ετών των οχημάτων που τροφοδοτούν.

Για τις μπαταρίες που ξεπερνούν τη διάρκεια ζωής του οχήματος, οι επιλογές δεύτερης ζωής, όπου οι μπαταρίες επαναχρησιμοποιούνται, παρατείνουν τη διάρκεια ζωής τους και μειώνουν τα απόβλητα. Υπάρχουν ακόμα μεγάλες προκλήσεις μπροστά μας όσον αφορά το κλείσιμο του κύκλου της βιωσιμότητας.

_{Πηγή: Process illustration of a battery lifecycle with second life | Download Scientific Diagram}

Όταν οι μπαταρίες μειωθούν στο 70-80% της αρχικής τους χωρητικότητας, δεν είναι πλέον κατάλληλες για χρήση σε οχήματα, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας σε σταθερές εγκαταστάσεις, αποθηκεύοντας ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές, όπου μπορούν να συμβάλουν στην εξισορρόπηση του δικτύου και να παρέχουν εφεδρική ισχύ.

Οι μεταχειρισμένες μπαταρίες θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για οικιακά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, ώστε οι ιδιοκτήτες σπιτιών να αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργειας ή ηλεκτρική ενέργεια εκτός αιχμής. Σε μεγαλύτερη κλίμακα, η βιομηχανική και εμπορική αποθήκευση ενέργειας για κέντρα δεδομένων ή εργοστάσια θα μπορούσε να συμβάλει στη διαχείριση της αιχμής της ζήτησης και στη μείωση του κόστους.

Η επαναχρησιμοποίηση των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων αντί της ανακύκλωσής τους μειώνει το συνολικό κόστος κατασκευής και δημιουργεί δυνατότητες για νέες ευκαιρίες εσόδων. Ορισμένοι την θεωρούν ως μια ενδεχομένως καλύτερη επιλογή από την ανακύκλωση.

Όταν η επαναχρησιμοποίηση δεν είναι δυνατή, η ανακύκλωση μπορεί να μειώσει τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο και την εξάρτηση από σπάνιες πρώτες ύλες. Η αποτελεσματική ανακύκλωση θα μετριάσει τις περιβαλλοντικές ζημιές απο την εξόρυξη και τα απόβλητα μπαταριών και θα ανταποκριθεί στις αυξανόμενες απαιτήσεις των κυβερνητικών κανονισμών, όπως ο νόμος για τις μπαταρίες στην Ε.Ε.

Καθώς η πρώτη γενιά ηλεκτρικών οχημάτων φτάνει στο τέλος του κύκλου ζωής της, οργανισμοί όπως το Παγκόσμιο Οικονομικό Φόρουμ ζητούν ιδιωτικές επενδύσεις για να ξεκινήσει η ανακύκλωση μπαταριών λιθίου σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Μοντέλα Κυκλικής Οικονομίας που δημιουργούν ένα πιο βιώσιμο μέλλον

Οι εταιρείες ενσωματώνουν τις αρχές της κυκλικής οικονομίας στο σχεδιασμό και τις διαδικασίες παραγωγής των μπαταριών τους, με στόχο τη δημιουργία μιας πιο βιώσιμης και αποδοτικής από πλευράς πόρων βιομηχανίας ηλεκτρικών οχημάτων. Θα χρειαστούν σημαντικές προσπάθειες για την αναδιοργάνωση της εφοδιαστικής αλυσίδας, προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι για μηδενικό ισοζύγιο εκπομπών.

_{Πηγή: Supercharging the future - How to rethink EV supply chain to achieve net zero goal?}

Με γνώμονα την ανακυκλωσιμότητα και την ευκολότερη αποσυναρμολόγηση, χρησιμοποιώντας τυποποιημένα εξαρτήματα και αποφεύγοντας κόλλες που είναι δύσκολο να διαχωριστούν, η BMW έχει αναπτύξει μπαταρίες που μπορούν εύκολα να ανακυκλωθούν στις πρώτες ύλες τους.

Η πρωτοβουλία Battery Passport της Global Battery Alliance στοχεύει στη δημιουργία μιας παγκόσμιας ψηφιακής πλατφόρμας για την ανταλλαγή πληροφοριών σχετικά με τις μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους, με βελτιωμένη επισήμανση και ιχνηλασιμότητα, ώστε να είναι ευκολότερη η αναγνώριση των εξαρτημάτων για ανακύκλωση.

Συνεργασίες μεταξύ κατασκευαστών αυτοκινήτων και εταιρειών ανακύκλωσης σχεδιάζονται για να εξασφαλίσουν κλειστά συστήματα ανακύκλωσης για τις μπαταρίες. Η Volkswagen έχει συνεργαστεί με την εταιρεία ανακύκλωσης Redwood Materials για την ανάκτηση υλικών από μπαταρίες που έχουν φτάσει στο τέλος του κύκλου ζωής τους από τα αυτοκίνητα VW και Audi.

Η Nissan και η Renault διαθέτουν προγράμματα που επαναχρησιμοποιούν τις μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας σε οικιακές και εμπορικές εφαρμογές, καθώς οι εταιρείες σχεδιάζουν τις μπαταρίες με γνώμονα τις εφαρμογές δεύτερης ζωής.

Τα αυτοματοποιημένα συστήματα αποσυναρμολόγησης των μπαταριών καθιστούν τη διαδικασία ανακύκλωσης πιο αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική. Η χρήση ρομποτικής και τεχνητής νοημοσύνης για την ασφαλή και γρήγορη αποσυναρμολόγηση των μπαταριών μπορεί να εξοικονομήσει έως και 33% σε σύγκριση με το κόστος της χειροκίνητης ανακύκλωσης.

Οι εκτιμήσεις αναφέρουν ότι μέχρι το 2030 θα υπάρχει δυναμικό εσόδων 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων στην κυκλική οικονομία και, έχοντας αυτό κατά νου, οι επενδυτές, οι ρυθμιστικές αρχές και οι κατασκευαστές εξετάζουν τις ευκαιρίες που θα τους φέρουν ταυτόχρονα εμπορική και περιβαλλοντική επιτυχία.

Ποιά είναι η επόμενη κίνηση στην καινοτομία των μπαταριών EV για ένα καλύτερο μέλλον;

Είναι ζωτικής σημασίας οι καινοτομίες στην τεχνολογία μπαταριών EV να συμβαδίζουν με τη ζήτηση των πελατών για ένα μέλλον με καλύτερες επιδόσεις και μεγαλύτερη βιωσιμότητα στον τομέα της κινητικότητας. Από τη χημεία και το σχεδιασμό έως την κλιμακωτή κατασκευή, οι νέες τεχνολογίες μπαταριών καταρρίπτουν τα εμπόδια για την ευρύτερη υιοθέτηση των EV.

Τα ζητήματα ανθεκτικότητας και διάρκειας ζωής επιλύονται και η έμφαση δίνεται όλο και περισσότερο στην τήρηση των αρχών της κυκλικής οικονομίας. Οι τεχνολογίες μπαταριών συνεχίζουν να ωριμάζουν και να εξελίσσονται, και έχουν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην επιτάχυνση της μετάβασης στην ηλεκτρική κινητικότητα, συμβάλλοντας παράλληλα σε έναν πιο βιώσιμο τομέα μεταφορών.