Bezpieczne testowanie baterii stałych

Rynek pojazdów elektrycznych przeżywa boom. Jednocześnie poszukuje się coraz to nowych możliwości zwiększenia zasięgu, skrócenia czasów ładowania, poprawy bezpieczeństwa i zrównoważonego rozwoju. Baterie stałofazowe mogłyby w przyszłości zastąpić konwencjonalne baterie litowo-jonowe oparte na elektrolitach ciekłych. Do tego czasu pozostaje jeszcze wiele wyzwań do pokonania i wiele testów do przeprowadzenia. Ponieważ obecnie nie istnieją jednolite normy w tym zakresie, firma weisstechnik, opierając się na wieloletnim doświadczeniu, rozwija rozwiązania dla kompaktowych szaf testowych i laboratoriów testowych, które niezawodnie spełnią wszystkie nadchodzące wymagania.

Rozpoczęła się wyścigowa rywalizacja

Wyścig o najlepsze rozwiązanie dla baterii stałofazowych jest już dawno otwarty. W zależności od producenta, pierwsze seryjne samochody osobowe mają pojawić się na rynku między 2025 a 2030 rokiem. Dotychczas jednak tylko francuska firma Blue Solutions zaprezentowała rozwiązanie gotowe do seryjnej produkcji, które jest między innymi wykorzystywane w Mercedesie eCitaro. Obecnie głównymi innowatorami są firmy z Japonii, Korei Południowej, Chin i USA. Biorąc pod uwagę wieloletnie doświadczenie w rozwoju motoryzacji, niemieckie przedsiębiorstwa mają jednak idealne warunki, aby wnieść kluczowy wkład w przełom baterii stałofazowych. Technika testowa firmy weisstechnik może odgrywać tutaj ważną rolę.

Dziedzina innowacji: baterie stałofazowe

W przeciwieństwie do konwencjonalnych baterii litowo-jonowych z elektrolitami ciekłymi, baterie stałofazowe (Solid-State Batteries, SSB) pracują z elektrolitami stałymi. Obecnie badane są różne klasy elektrolitów stałych pod kątem ich wydajności w pełnych komórkach SSB. W szczególności skupia się uwagę na elektrolitach opartych na tlenkach, sulfidach, polimerach i halogenkach, a także na hybrydowych rozwiązaniach wywodzących się z nich. We wszystkich kierunkach rozwoju konieczne jest opracowanie nowej chemii baterii i perfekcyjne dopasowanie wszystkich komponentów, aby osiągnąć pożądane właściwości. Można również zastosować nowe materiały aktywne anodów (anode active materials, AAM), takie jak metal litowy czy krzem. Również dla katodowych materiałów aktywnych (cathode active materials, CAM) prowadzone są różne badania.

Przekonujące korzyści są możliwe

Hipoteza wielu projektów badawczych zakłada, że optymalna kombinacja materiałów w bateriach stałofazowych zapewnia znaczące przewagi nad konwencjonalnymi bateriami litowo-jonowymi z elektrolitami ciekłymi i może zrewolucjonizować świat elektromobilności na trwałe. Baterie stałofazowe obiecują znacznie wyższą gęstość energii i do 30% dłuższy zasięg przy jednoczesnej bardziej kompaktowej konstrukcji. Ponadto, w zależności od chemii komórki, czas ładowania można znacznie skrócić, a liczba cykli ładowania zwiększyć do ponad 2000. Również w zależności od chemii komórki, niskie ryzyko pożaru baterii stałofazowych podczas termicznego przebiegu, na przykład w wyniku przeładowania lub wypadku, ponieważ nie wycieka łatwopalnych, ciekłych składników. Dodatkowo można je produkować w sposób znacznie bardziej zrównoważony, co daje im duży potencjał na przyszłość. Jednak konieczne jest skalowanie produkcji komponentów i procesu produkcji ogniw, aby obniżyć obecne koszty, które są 7-8 razy wyższe od kosztów produkcji seryjnej.

Presja rozwojowa jest ogromna

Obecnie producenci pojazdów, firmy dostawcze, laboratoria rozwojowe i uczelnie prowadzą badania nad technologią baterii stałofazowych. Na ten cel dostępne są znaczne środki finansowe – tylko Volkswagen inwestuje w najbliższych latach ponad 300 milionów euro poprzez swojego partnera QuantumScape. W Niemczech zaangażowane są m.in. instytuty Fraunhofera, KIT, Centrum Badawcze Jülich, TU Braunschweig i MEET w Münster. Kluczowym ośrodkiem jest interdyscyplinarne Centrum Badań Materiałowych (ZfM) przy Uniwersytecie Gieße. Zespół liczący około 40 osób, kierowany przez uznanego specjalistę prof. dr. dr. h.c. Jürgena Janeka, bada chemiczne i fizyczne podstawy oraz wyzwania związane z bateriami stałofazowymi. Ponadto koordynuje on działania klastrów kompetencyjnych dla baterii ciała stałego (FestBatt), które są częścią koncepcji „Fabrika Badań nad Bateriami” realizowanej przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF). „Oczekiwania rynku są ogromne, presja na szybkie dostarczanie rozwiązań jest duża. Dlatego ważne jest, aby korzystać z techniki testowej, która zapewnia niezawodne i precyzyjne wyniki,” wyjaśnia prof. dr. dr. h.c. Jürgen Janek, dyrektor zarządzający ZfM i koordynator klastru FestBatt.

Klucz do sukcesu: technika testowa

W związku z tym presją rozwojową rosną również wymagania wobec dostawców techniki testowej. Baterie stałofazowe muszą przejść liczne testy przed wprowadzeniem do produkcji seryjnej. Z jednej strony można zakładać, że ze względu na swoje właściwości materiałowe są one ogólnie mniej problematyczne niż konwencjonalne baterie litowo-jonowe. Z drugiej strony, mają wyższą gęstość energii i inne potencjały zagrożeń, na które technika testowa w zakresie bezpieczeństwa musi się dostosować. Dopiero wtedy można w pełni ocenić ich wydajność i bezpieczeństwo. Jednak brak jeszcze norm testowych ani wytycznych producentów rodzi pytanie, jakie testy i o jakie wymagania należy przeprowadzić oraz jakie urządzenia testowe mogą to niezawodnie i bezpiecznie zapewnić. Mimo że potencjalne zagrożenie jest mniejsze, testując np. baterie stałofazowe na sulfidach, mogą wystąpić toksyczne i wybuchowe emisje siarkowodoru (H2S). Dlatego urządzenia testowe muszą być tak zaprojektowane, aby nie stanowiły zagrożenia dla ludzi, urządzeń testowych i środowiska.

Wymagania wobec techniki testowej

Oprócz potencjalnego zagrożenia ze strony emisji H2S, urządzenia testowe muszą uwzględniać czasami wyższą temperaturę pracy baterii stałofazowych. Niezależnie od tych szczególnych wymagań, można oczekiwać, że urządzenia testowe dla baterii stałofazowych będą miały podobne lub takie same wymagania dotyczące testów i środowisk testowych jak konwencjonalne baterie litowo-jonowe. Wraz z postępem rozwoju normy będą stopniowo doprecyzowywać swoje treści. To jest ważne, aby wszyscy pracujący w tym dynamicznym środowisku mogli korzystać z bezpiecznej i jednolitej podstawy, zapewniającej porównywalne wyniki testów.

Aktualizacje istniejących urządzeń

Wiele firm i instytucji posiada już urządzenia testowe do konwencjonalnych baterii litowo-jonowych. Jeśli są one od weisstechnik, można je w większości przypadków łatwo przerobić lub rozbudować do testowania baterii stałofazowych. Na przykład w komorze testowej wystarczy zintegrować system alarmowy H2S z czujnikiem i lampą ostrzegawczą oraz ewentualnie dodatkowe rozwiązanie wentylacyjne. Również szafy testowe ClimeEvent do zastosowań laboratoryjnych można szybko i łatwo zmodernizować do spełniania większości wymagań. Dla firm takie modernizacje są bardziej zrównoważone i szybsze w realizacji. Daje to użytkownikom ważną przewagę konkurencyjną w tym bardzo dynamicznym środowisku rozwoju, gdzie kluczowe jest jak najszybsze uzyskanie wiarygodnych odpowiedzi i prezentacja bezpiecznych rozwiązań.

Nowe szafy i komory testowe

Oprócz wielu uznanych firm i instytucji, nad bateriami stałofazowymi pracuje także wiele młodych firm i startupów. Często jeszcze nie dysponują własnymi urządzeniami testowymi lub mają ich ograniczoną liczbę, dlatego polegają na tymczasowo dostępnych i bezpiecznych szafach i komorach testowych. Również tutaj firma weisstechnik może pomóc w prosty sposób. Dzięki dostępnemu modułowemu zestawowi Hazard Level można łatwo określić wymagania dotyczące urządzeń testowych i, po ocenie ryzyka, wdrożyć je w standardowe rozwiązania lub indywidualne zamówienia specjalne. Modularna koncepcja podstawowa urządzeń testowych firmy weisstechnik umożliwia szybkie ich rozwijanie i dostarczanie.

Technika testowa to kwestia zaufania

Kompetencje, doświadczenie i serwis to kluczowe kryteria wyboru partnera do rozwiązań testowych w branży motoryzacyjnej. Firma weisstechnik jest doświadczonym specjalistą od wymagających rozwiązań testowych i działa na rynku baterii litowo-jonowych od ponad 20 lat. Dzięki tej wiedzy firma oferuje rozwiązania testowe na miarę przyszłości, które są gotowe do szybkiego użycia i opłacalne na dłuższą metę. Jako lider innowacji w branży, weisstechnik wspiera firmy także w zakresie obsługi, oferując proaktywny i elastyczny serwis w sieci obejmującej cały kraj oraz dostosowane do potrzeb umowy serwisowe. To zwiększa bezpieczeństwo operacyjne i pozwala firmom skupić się na swojej pracy rozwojowej.