Kluczowe parametry baterii w samochodach elektrycznych, które mogą się zmieniać: 381 Wh/kg oraz zasięg do 1.000 km

Zaledwie kilka dni temu pisaliśmy o ważnym kroku, jaki zrobił ProLogium, rozpoczynając seryjną produkcję swojej nowej baterii Gen 3.5 o gęstości energetycznej 381 Wh/kg oraz 903 Wh/l na poziomie ogniwa. W tamtym artykule omawialiśmy tę technologię, jej związek z Mercedes-Benz oraz ogromne wyzwanie związane z wprowadzeniem baterii o takich parametrach z wciąż ograniczonej linii produkcyjnej do samochodów elektrycznych w dużych ilościach.

Jest jednak pytanie, które zadaje sobie każdy: co tak naprawdę oznaczają te 381 Wh/kg dla samochodów elektrycznych? Dla wielu ta liczba wydaje się imponująca na papierze, dla innych jest zupełnie nieznana, ponieważ sama w sobie nie oznacza, że jutro będziemy mieli modele zdolne do przejechania 1.000 kilometrów na jednym ładowaniu.

Powód jest prosty. 381 Wh/kg odnosi się do samej komórki, natomiast kompletny pakiet musi zawierać konstrukcję, system chłodzenia, połączenia, systemy ochronne oraz elektroniczną kontrolę. Całość ta zwiększa wagę i powoduje, że ostateczna gęstość energetyczna jest niższa. Dlatego, aby ocenić prawdziwy wpływ tej technologii, znacznie ciekawiej jest wyobrazić sobie, co by się stało, gdyby znaczna część tej przewagi trafiła w końcu do samego pakietu.

Obecnie najlepsze architektury baterii już znacząco zmniejszyły różnicę pomiędzy gęstością pojedynczej komórki a gęstością całego zestawu zainstalowanego w samochodzie. Na przykład CATL podaje wartość 330 Wh/kg dla pojedynczej komórki oraz 265 Wh/kg dla całego pakietu w swojej baterii Qilin NMC. Jest to istotna różnica, ale pokazuje również, że coraz większa część przechowywanej energii może być wykorzystana bezpośrednio w pojeździe.

Gdyby w przyszłości bateria stała osiągnęła poziom około 300 Wh/kg na poziomie całego pakietu, możliwości byłyby ogromne. Bateria o pojemności 80 kWh, która obecnie wymaga około 400 kilogramów, mogłaby przechowywać tę samą ilość energii przy masie zaledwie około 267 kilogramów. Albo, zachowując mniej więcej tę samą masę 400 kilogramów, mogłaby przechowywać blisko 120 kWh.

I tu pojawia się pierwszy istotny skutek. Producenci nie muszą wykorzystywać całej zyskanej gęstości do zwiększenia zasięgu. Część z niej mogłaby zostać użyta do zmniejszenia masy samochodu, co z kolei obniżyłoby zużycie i umożliwiło przejechanie większej odległości przy tej samej ilości energii.

Innymi słowy, bardziej gęsta bateria może wywołać efekt mnożnikowy. Mniejsza waga oznacza mniejsze zużycie; mniejsze zużycie oznacza, że dana pojemność umożliwia przejechanie większej liczby kilometrów; a to może sprawić, że nie będzie konieczne instalowanie jeszcze większej baterii.

Jak daleko mogą dotrzeć obecne samochody elektryczne?

Możemy przenieść te wartości na istniejące już modele. Wyobraźmy sobie samochód elektryczny, który obecnie wykorzystuje akumulator o pojemności około 80 kWh i osiąga około 500 kilometrów zgodnie z normami dzięki dobrej aerodynamice oraz niskiemu zużyciu paliwa. Gdyby mógł używać akumulatora o pojemności 100 kWh, zachowując praktycznie tę samą masę co obecny pakiet baterii, zasięg mógłby znacznie wzrosnąć.

Nie byłoby przesadą myśleć o 600–700 kilometrach zgodnie z normami w efektywnych modelach, podczas gdy samochody elektryczne typu sedan z szczególnie dobraną aerodynamiką mogłyby osiągnąć nawet blisko 800 kilometrów. W najbardziej efektywnych pojazdach akumulator o pojemności 120 kWh mógłby nawet umożliwić zasięg bliski 1000 kilometrów, chociaż wtedy wpływają na to liczne inne czynniki.

Spalanie jest właśnie tym elementem, który określa, jak daleko może dotrzeć ta technologia. Sedan potrafiący zużyć 13 kWh/100 km potrzebuje 104 kWh, aby przejechać 800 kilometrów w idealnych warunkach. Duży SUV, który zużywa 20 kWh/100 km, potrzebowałby 160 kWh, aby pokonać tę samą odległość.

Dlatego nie zobaczymy automatycznie elektrycznych SUV-ów o zasięgu 1.000 kilometrów tylko dlatego, że pojawiły się baterie o gęstości 381 Wh/kg. Gęstość energetyczna rozwiązuje część problemu, ale aerodynamika, opony, masa, temperatura oraz efektywność systemu napędowego nadal będą decydujące.

Dobrym przykładem tego, co można osiągnąć, łącząc wszystkie te elementy, jest Mercedes-Benz VISION EQXX. Prototyp niemieckiej marki zdołał przejechać ponad 1.000 kilometrów po drodze, wykorzystując stosunkowo niewielką baterię dzięki niezwykle niskiemu zużyciu paliwa. Podczas jednej z tras Mercedes-Benz odnotował zużycie zaledwie 8,7 kWh/100 km.

Dzięki znacznie bardziej gęstej technologii baterii ten koncept mógłby trafić do seryjnego samochodu. Nie byłoby konieczne montowanie gigantycznej baterii, aby osiągnąć ogromny zasięg. Bateria o pojemności 100–120 kWh w niezwykle efektywnym sedanie mogłaby wystarczyć, by zbliżyć się do wartości, które do niedawna były przeznaczone wyłącznie dla prototypów.

Ale najprawdopodobniej najważniejszą zmianą będzie inna: samochody elektryczne nie będą musiały koniecznie mieć coraz większych baterii.

W ciągu ostatnich lat obserwowaliśmy stopniowy wzrost pojemności pakietów baterii. Największe modele osiągają już ponad 100 kWh, a niektórzy producenci postawili nawet na jeszcze większą pojemność, aby zapewnić dłuższy zasięg. Pojawienie się znacznie bardziej gęstych baterii mogłoby zmienić tę tendencję.

Zamiast przechodzić od 80 do 120 kWh w celu uzyskania większego zasięgu, producent mógłby zachować baterię o pojemności 80–90 kWh i znacznie zmniejszyć jej wagę. Dawałoby to korzyści pod względem zużycia energii, osiągów, zachowania dynamicznego oraz efektywności. Pozwoliłoby to również na zmniejszenie ilości materiałów potrzebnych do produkcji każdego samochodu.

Gęstość objętościowa ogłoszona przez ProLogium, wynosząca 903 Wh/l, otwiera również inną możliwość. W samochodzie elektrycznym przestrzeń dostępna na baterię jest ograniczona, a zwiększenie ilości energii przechowywanej w tym samym objętości pozwala podnieść jej pojemność bez konieczności zajmowania większej przestrzeni pod pokładką silnika.

Szybkie ładowanie również mogłoby skorzystać z tej ewolucji. Bateria o wyższej gęstości energetycznej może zapewnić większy zasięg po stosunkowo krótkim postoju, pod warunkiem że producent uda się połączyć ją z wysoką mocą ładowania oraz odpowiednią termiką.

Tutaj należy być szczególnie ostrożnym. ProLogium ogłosiło funkcje zapewniające szybkie ładowanie, ale wciąż musimy dowiedzieć się, jak będzie się zachowywał pełny zestaw zainstalowany w samochodzie podczas tysięcy cykli, zarówno zimą, jak i latem, oraz po latach użytkowania. Prawdziwym testem baterii nie jest tylko to, ile energii przechowuje na początku, ale ile zachowuje po długim czasie.

I to właśnie będzie następnym wielkim wyzwaniem dla ProLogium. Gen 3.5 już przekroczyła ważną granicę, przechodząc do produkcji, ale fabryka w Taoyuan nadal funkcjonuje na małą skalę w porównaniu z ogromnymi zakładami produkującymi tradycyjne baterie. Kolejnym krokiem będzie możliwość produkcji tych ogniw w dużych ilościach, o jednolitej jakości i po cenie umożliwiającej ich użycie w samochodach innych niż modele luksusowe.

Budująca się fabryka w Dunkierce będzie szczególnie ważna pod tym względem. Jej pierwsza faza przewiduje moc 4 GWh, a projekt jest zaprojektowany tak, by osiągnąć nawet 44 GWh. Jeśli firma uda się przenieść tam cechy technologii Gen 3.5 i utrzymać koszty pod kontrolą, będziemy mieli do czynienia z znacznie ważniejszym dowodem niż jakakolwiek liczba uzyskana w pojedynczej komórce.

I tu ponownie pojawia się Mercedes-Benz. Niemiecka marka od 2022 roku prowadzi współpracę technologiczną z ProLogium i od lat pracuje nad bateriami nowej generacji. Jeśli ta technologia przejdzie próbę przemysłową, Mercedes będzie jednym z producentów, którzy najbardziej będą chcieli skorzystać ze wzrostu gęstości energii w swoich przyszłych samochodach elektrycznych.

Dlatego wartości 381 Wh/kg nie powinny być interpretowane jako natychmiastowa obietnica samochodów elektrycznych o zasięgu 1.000 kilometrów. Są one czymś bardziej interesującym: sygnałem, że przemysł zaczyna zbliżać się do punktu, w którym gęstość energetyczna może wpłynąć nie tylko na zasięg, ale także na wagę, rozmiar i efektywność samochodów elektrycznych.

Jeśli znaczna część tych 381 Wh/kg trafi do baterii, samochód obecnie oferujący zasięg 500 kilometrów mógłby osiągnąć 600–700 kilometrów bez zbytniego wzrostu masy. Najbardziej efektywne modele mogłyby zbliżyć się do zasięgu 800 kilometrów, a dzięki szczególnie korzystnej kombinacji aerodynamiki, zużycia energii i pojemności baterii zasięg 1.000 kilometrów mógłby przestać być domeną jedynie prototypów.

To jest prawdziwy atut baterii ProLogium. Nie chodzi tu po prostu o uzyskanie większej liczby kilometrów poprzez dodanie więcej kWh, lecz o to, by każdy kilogram i każdy litr baterii mogły przechowywać znacznie więcej energii. A jeśli przemysł zdoła przekuć tę przewagę ogniwa w rzeczywistą korzyść dla całego samochodu, skok może być znacznie większy, niż sugeruje zwykła wartość Wh/kg.