Bezpečné testování pevných baterií

Trh s elektromobily začíná vzkvétat. Současně se hledají stále nové možnosti, jak zvýšit dojezd, zkrátit doby nabíjení, zvýšit bezpečnost a zlepšit udržitelnost. Pevné baterie by mohly v budoucnu nahradit konvenční Li-ion baterie s tekutými elektrolyty. Do té doby je třeba překonat několik výzev a provést mnoho testů. Vzhledem k tomu, že v současnosti neexistují jednotné normy, vyvíjí společnost weisstechnik na základě svých dlouholetých zkušeností řešení pro kompaktní zkušební skříně a zkušební laboratoře, které spolehlivě splní všechny nadcházející požadavky.

Začala závod o vývoj

Souboj o nejlepší řešení pro pevné baterie je již dávno otevřen. Podle výrobců by měly první sériové vozy začít jezdit mezi lety 2025 a 2030. Dosud však představila pouze francouzská společnost Blue Solutions sériově použitelnou technologii, která je například využívána v Mercedesu eCitaro. Jako inovativní hybatelé se v současnosti profilují převážně firmy z Japonska, Jižní Koreje, Číny a USA. Díky dlouholetým zkušenostem s vývojem v automobilovém průmyslu mají německé firmy ideální předpoklady k tomu, aby mohly významně přispět k průlomu pevný baterií. Testovací technika od weisstechnik může hrát důležitou roli.

Oblast inovací: pevné baterie

Na rozdíl od konvenčních Li-ion baterií s tekutými elektrolyty pracují pevné baterie (Solid-State Batteries, SSB) s pevným elektrolytem. V současnosti jsou zkoumány různé třídy pevných elektrolytů z hlediska jejich výkonových vlastností v plných článcích SSB. Zaměřují se především na oxidové, sulfidové, polymerové a halogenidové pevné elektrolyty, stejně jako na odvozená hybridní řešení. U všech vývojových směrů je nutné znovu vyvinout chemii baterie a dokonale sladit všechny komponenty, aby bylo možné dosáhnout požadovaných vlastností. Při tom lze například použít i nové aktivní materiály anody (anode active materials, AAM), jako je lithiem nabitý kov nebo křemík. Také pro katodové aktivní materiály (cathode active materials, CAM) jsou zkoumány různé možnosti.

Přesvědčivé výhody jsou možné

Pracovní hypotézou řady výzkumných projektů je, že optimální kombinace materiálů v pevných bateriích nabízí významné výhody oproti Li-ion bateriím s tekutým elektrolytem a může trvale revolucionalizovat svět elektromobility. Pevné baterie slibují výrazně vyšší energetickou hustotu a dojezd až o 30 % delší při kompaktnějším provedení. Navíc může být podle chemie článku výrazně zkrácen čas nabíjení a zvýšen počet nabíjecích cyklů na více než 2000. Dále je podle chemie článku nízké riziko požáru při teplotním průniku v důsledku přebíjení nebo nehody, protože z nich neunikají hořlavé kapalné složky. Také je lze vyrábět výrazně udržitelněji, což celkově představuje značný potenciál do budoucna. Nicméně je třeba zajistit, aby výroba komponent a výroba článků byla škálovatelná a snížit současné 7- až 8násobné výrobní náklady na úroveň vhodnou pro sériovou výrobu.

Výrazný tlak na vývoj

V současnosti výzkumné aktivity směřují na vývoj pevné bateriové technologie. K tomu je k dispozici značné financování – například Volkswagen investuje prostřednictvím svého partnera QuantumScape v příštích letech 300 milionů eur. V Německu se do výzkumu zapojují například Fraunhoferovy ústavy, KIT, Výzkumné centrum Jülich, Technická univerzita Braunschweig a MEET v Münsteru. Jedním z hybatelů inovací je interdisciplinární centrum pro výzkum materiálů (ZfM) na Univerzitě Justus-Liebig v Gießenu. S přibližně 40členným týmem zde zkoumá mezinárodně uznávaný specialista Prof. Dr. Dr. h. c. Jürgen Janek chemické a fyzikální základy a výzvy pevné baterie. Navíc koordinuje aktivity kompetenčního klastru pro pevné baterie (FestBatt), který je začleněn do koncepce „Výzkumná továrna na baterie“ Ministerstva školství a výzkumu Německa (BMBF). „Očekávání na trhu jsou obrovská, tlak na dodání rychlých řešení je enormní. Proto je důležité pracovat s testovací technikou, která spolehlivě a přesně poskytuje výsledky,“ vysvětluje Prof. Dr. Dr. h. c. Jürgen Janek, výkonný ředitel ZfM a koordinátor klastru FestBatt.

Klíč k úspěchu: testovací technika

S tímto tlakem na vývoj rostou i požadavky na dodavatele testovací techniky. Pevné baterie musí totiž před sériovou výrobou projít řadou testů. Ačkoliv je předpoklad, že díky svým materiálovým vlastnostem jsou obecně méně problematické než konvenční Li-ion baterie, mají vyšší energetickou hustotu a jiné rizikové potenciály, na které je třeba přizpůsobit bezpečnostní testy. Pouze tak lze komplexně otestovat výkon a bezpečnost. Vzhledem k tomu, že neexistují žádné specifické normy nebo požadavky výrobců, je třeba vyjasnit, jaké testy a s jakými požadavky je třeba provést, a jaké testovací zařízení to dokáže spolehlivě a bezpečně zajistit. I když mají pravděpodobně nižší riziko, při testování například sulfidových pevných baterií je možné uvolnění toxických a výbušných plynů, například sirovodíku (H2S). Proto musí být testovací zařízení navrženo tak, aby nehrozilo žádné nebezpečí pro lidi, zařízení ani životní prostředí.

Požadavky na testovací techniku

Kromě možného nebezpečí spojeného s uvolňováním H2S musí testovací zařízení zohlednit i případně vyšší provozní teploty pevných baterií. Bez ohledu na tyto zvláštnosti se očekává, že testovací zařízení pro pevné baterie budou mít stejné nebo podobné požadavky na testy a testovací prostředí jako konvenční Li-ion baterie. S postupem vývoje se budou normy postupně zpřesňovat. To je důležité, aby všichni, kdo v tomto dynamickém prostředí pracují, mohli využívat bezpečný a jednotný základ a dosahovat srovnatelných výsledků.

Vylepšení stávajících zařízení

Řada firem a institucí již disponuje testovacími zařízeními pro konvenční Li-ion baterie. Pokud jsou od společnosti weisstechnik, lze je většinou bez problémů upravit nebo rozšířit pro testování pevných baterií. Například u zkušební komory může stačit přidat H2S hlásič s senzorem a výstražnou lampou a případně další ventilační řešení. Také ClimeEvent zkušební skříně pro laboratorní použití lze rychle a jednoduše upravit pro většinu požadavků. Pro firmy jsou upgrady stávajících testovacích řešení udržitelnější a rychlejší. To jim poskytuje důležitou konkurenční výhodu v tomto vysoce dynamickém vývojovém prostředí, kde je cílem co nejrychleji najít relevantní odpovědi a představit bezpečná řešení.

Nové zkušební skříně a komory

Kromě řady zavedených firem a institucí pracují na pevné baterie také mnoho mladých firem a startupů. Ty často ještě nemají nebo mají jen omezené vlastní testovací zařízení a jsou proto odkázány na krátkodobě dostupné a bezpečně použitelné zkušební skříně a komory. I zde může společnost weisstechnik jednoduše pomoci. S pomocí dostupného balíčku Hazard Level lze snadno určit požadavky na testovací zařízení a po posouzení rizik je realizovat ve standardizovaných řešeních nebo individuálních zakázkách. Modulární základní koncept testovacích řešení od weisstechnik umožňuje jejich rychlý vývoj a dodávku.

Testovací technika je stále věcí důvěry

Kompetence, zkušenosti a servis jsou klíčové faktory při výběru partnera pro testovací řešení v automobilovém průmyslu. weisstechnik je zkušený specialista na náročná testovací řešení a působí v oblasti Li-ion baterií již více než 20 let. S tímto know-how nabízí společnost řešení, která jsou připravena k okamžitému použití a zároveň dlouhodobě výhodná. Jako lídr inovací v oboru podporuje weisstechnik firmy také v oblasti servisu aktivně a velmi flexibilně s celoněmeckou sítí služeb a na míru šitými servisními smlouvami. To zvyšuje provozní spolehlivost a umožňuje firmám soustředit se na svůj vývoj.