După ani întregi în care ingineri din toată lumea știau cum eșuau bateriile cu electrolit solid, dar nu reușeau să explice de ce, doi cercetători din tabere diferite ale lumii academice par să fi găsit, în sfârșit, răspunsul. Două studii independente, publicate aproape simultan, au identificat mecanismele fizice exacte care stau la baza scurtcircuitelor interne responsabile pentru eșecurile repetate ale acestei tehnologii — transformând ceea ce părea un mister științific persistent într-o problemă de inginerie, în principiu, rezolvabilă.
Bateriile solid-state sunt considerate de ani buni următorul mare salt tehnologic în domeniul stocării energiei, promițând autonomii mai mari, timpi de încărcare semnificativ reduși, siguranță sporită și o densitate energetică superioară comparativ cu bateriile litiu-ion folosite astăzi în majoritatea vehiculelor electrice. Problema a fost, însă, una persistentă: aceste baterii dezvoltau constant scurtcircuite interne, pe măsură ce structuri microscopice de litiu se formau în interiorul celulei și, în cele din urmă, perforau bariera solidă menită să separe polul pozitiv de cel negativ al bateriei. Cercetătorii puteau observa fenomenul după ce se produsese, dar nu reușeau să explice ce anume declanșa formarea acestor structuri sau cum reușeau ele să străpungă un material conceput special să le blocheze.
Răspunsul a venit, practic, din două direcții complementare. Într-un studiu publicat în revista Nature Nanotechnology, cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Materiale Sustenabile din Germania au descoperit că depunerile de litiu generează, în timpul procesului de încărcare, o presiune internă considerabilă, suficientă pentru a fisura electrolitul solid din interior — practic materialul cedează mecanic sub propria presiune generată de creșterea litiului.
Separat, o echipă de cercetători de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT), Universitatea Tehnică din München și alte instituții colaboratoare a raportat, tot în Nature Nanotechnology, că mici dezechilibre electrice apărute în interiorul electrolitului creează, de fapt, condițiile care permit acestor structuri nedorite de litiu să înceapă să crească necontrolat.
Cele două descoperiri se completează una pe cealaltă: una explică mecanismul mecanic al fisurării electrolitului, cealaltă explică declanșatorul electric al creșterii structurilor de litiu care provoacă, ulterior, fisurarea respectivă. Împreună, ele oferă pentru prima dată o imagine coerentă a întregului lanț cauzal din spatele eșecurilor repetate ale bateriilor solid-state, eliminând o necunoscută științifică majoră exact în momentul în care producătorii de automobile și de baterii investesc miliarde de dolari pentru a aduce această tehnologie în producție comercială.
De ce contează atât de mult această descoperire pentru industria auto
Spre deosebire de bateriile litiu-ion convenționale, care folosesc un electrolit lichid, bateriile solid-state înlocuiesc acest lichid cu un material solid. Schimbarea reduce riscul de supraîncălzire și permite producătorilor să comprime mai multă energie în același spațiu fizic, ceea ce face tehnologia atractivă nu doar pentru mașinile electrice, ci și pentru aviație, apărare și stocarea energiei la scară de rețea.
Eșecurile repetate din ultimii ani nu au convins, însă, industria auto că tehnologia ar fi impracticabilă. Dimpotrivă, producătorii au tratat problema drept o provocare de inginerie care, mai devreme sau mai târziu, avea să fie rezolvată — iar miza financiară a fost prea mare pentru a fi ignorată. Comparativ cu bateriile litiu-ion actuale, tehnologia solid-state promite densitate energetică mai mare, încărcare mai rapidă, siguranță îmbunătățită și autonomii mai lungi, elemente pe care producătorii le consideră capabile să transforme complet industria vehiculelor electrice.
Această convingere s-a tradus deja în investiții de miliarde de dolari. Honda a construit deja o linie de producție demonstrativă, cu o suprafață de aproximativ 27.400 de metri pătrați, în orașul Sakura din Japonia, investind circa 280 de milioane de dolari pentru a dezvolta tehnicile de fabricație necesare producției de masă. Facilitatea replică întregul proces de fabricație, de la amestecarea și acoperirea materialelor pentru electrozi, până la formarea celulelor și asamblarea modulelor. Producția de baterii a fost programată să înceapă în ianuarie 2025, Honda testând costurile de producție, specificațiile celulelor și metodele de fabricație la scară largă, înaintea implementării în vehicule, estimată pentru a doua jumătate a acestui deceniu. Compania folosește, de altfel, o tehnică de presare cu role pentru a comprima electrolitul solid în timpul asamblării, reducând golurile de aer microscopice care împiedică transportul ionilor și simplificând, în același timp, fabricația la scară largă.
Mercedes-Benz a mers și mai departe, testând deja o baterie solid-state pe drumuri publice. La începutul acestui an, compania a prezentat un model EQS modificat, echipat cu celule litiu-metal furnizate de Factorial Energy. În timpul testelor, vehiculul a parcurs 1.205 kilometri între Stuttgart și Malmö cu o singură încărcare, terminând cursa cu o autonomie estimată rămasă de 137 de kilometri.
BMW testează, la rândul său, celule de format mare produse de Solid Power, montate într-un model i7 care circulă pe drumuri publice în zona München, program prin care compania examinează expansiunea celulelor, presiunea de funcționare și controlul temperaturii într-un pachet complet de baterii montat pe vehicul. BMW a licențiat, de asemenea, tehnologia de producție a Solid Power pentru o linie prototip de celule la centrul său de competențe pentru fabricarea celulelor, situat la Parsdorf.
Toyota, unul dintre cei mai vocali susținători ai tehnologiei, construiește prin intermediul partenerului Idemitsu o facilitate pilot de mari dimensiuni pentru fabricarea electroliților solizi pe bază de sulfuri — unul dintre elementele esențiale ale bateriilor de nouă generație ale companiei. Fabrica va produce sulfură de litiu folosind sulf recuperat din rafinarea petrolului, înainte de a-l converti în material pentru electrolit solid destinat bateriilor auto. Toyota estimează că va începe producția comercială a vehiculelor echipate cu această tehnologie în perioada 2027-2028.
Lista producătorilor implicați activ în cursa pentru comercializare este, de altfel, mult mai lungă: Stellantis, Hyundai, Samsung SDI, CATL, QuantumScape, Solid Power și Factorial Energy și-au extins cu toții liniile de producție pilot, parteneriatele strategice sau programele de testare pe vehicule, în ciuda provocărilor științifice care, până acum, rămâneau nerezolvate.
O piață de nișă, pregătită pentru o creștere spectaculoasă
Deși tehnologia rămâne, deocamdată, la stadiul incipient din punct de vedere comercial, analiștii de piață estimează o expansiune abruptă în următorul deceniu. Potrivit unor estimări de piață, segmentul global al bateriilor solid-state avea o valoare de aproximativ 1,6-2,8 miliarde de dolari în 2025, urmând ca until 2034-2035 să ajungă la sume cuprinse între 27 și 45 de miliarde de dolari, la rate anuale de creștere estimate între 36% și 38%. Segmentul specific dedicat vehiculelor electrice ar putea crește chiar mai abrupt, de la câteva sute de milioane de dolari în prezent, până la câteva miliarde de dolari până la finalul deceniului viitor, pe fondul unei rate anuale compuse de creștere estimate la peste 40%, potrivit mai multor firme de cercetare de piață. Regiunea Asia-Pacific, cu Toyota, Samsung SDI și CATL în prim-plan, este considerată motorul principal al acestei expansiuni, susținută de politici guvernamentale favorabile și de statutul Chinei de cea mai mare piață auto electrică din lume.
Ceea ce, până de curând, era un mister persistent, s-a transformat acum într-o problemă de proiectare clar definită. Cercetătorii știu acum că prevenirea fisurilor la nivelul electrolitului și suprimarea concentrațiilor localizate de curent electric vor determina dacă bateriile solid-state pot rezista la cicluri repetate de încărcare în afara condițiilor controlate de laborator.
Comercializarea pe scară largă, însă, nu este nicidecum garantată doar prin această descoperire. Odată ce problemele identificate vor fi rezolvate din punct de vedere ingineresc, producătorilor le va reveni sarcina de a demonstra că bateriile solid-state pot fi fabricate constant la scară industrială, pot rezista la mii de cicluri de încărcare și pot atinge un nivel de cost competitiv cu bateriile litiu-ion actuale. Tocmai din acest motiv, companiile continuă să investească sute de milioane de dolari în linii pilot de producție, cu ani buni înainte ca vehiculele destinate pieței de masă să ajungă efectiv la cumpărători.
Toyota își menține, deocamdată, obiectivul de a introduce primele sale baterii solid-state în perioada 2027-2028. Honda vizează a doua jumătate a acestui deceniu. Mercedes-Benz, BMW și mai mulți producători de baterii au trecut deja de la celule testate exclusiv în laborator la vehicule aflate în circulație pe drumuri publice. Ceea ce părea, până acum câțiva ani, un domeniu dominat de incertitudini fundamentale de fizică a materialelor, se pregătește să devină o veritabilă cursă industrială pentru supremația în stocarea energiei electrice a viitorului.
