Akumulatorske celice so kot ljudje, vsaka zase je posebna

Ko sem ta teden navezal stik z Robertom Dominkom, raziskovalcem akumulatorjev na Kemijskem inštitutu, ki se ukvarja s sodobnimi baterijskimi sistemi za električne avtomobile, ni bil na kateri od službenih poti – kot še marsikdo v tem času s pomočjo video konferenc usklajuje delo svoje raziskovalne skupine. Na ta način je lahko aktiven tudi na področju velike evropske pobude za razvoj akumulatorjev. Občasno se odpravi na inštitut, da preveri, če je z aparaturami, s katerimi sicer preizkušajo delovanje baterij, vse v redu; gre pač za veliko vrednost in če bi šlo kaj narobe, bi bila škoda ogromna. Seveda razmišlja, na kakšen način bo, ko bo mogoče, s sodelavci znova vzpostavil delo. Tega pa tudi po tej krizi na področju baterij ne bo malo.
 

Evropa gre v veliko zavezništvo, akcijski plan za razvoj in proizvodnjo akumulatorjev, v katerem sodeluje tudi Kemijski inštitut. Zakaj je pravzaprav potrebna tako agresivna akcija?

V trenutni situaciji, ko nas hromi pandemija virusa covid-19, se vidi, kaj se dogaja, če celoten kontinent ni pripravljen na nekaj, kar prihaja. Problem podnebnih sprememb bo morda za kako leto ali dve potisnjen rahlo v kot, potem bo o tem potrebno znova razmišljati. To je realnost, ki grozi in s katero se bomo morali spoprijeti. Elektrifikacija, ne le prometa, temveč različnih sektorjev, je pomembna, pri njej pa imajo baterije pomembno vlogo kot vmesni shranjevalnik. Če pogledamo njihovo proizvodnjo, tu mislim na v tem trenutku najpomembnejše litij-ionske akumulatorje, je dejstvo, da se jih komaj ena do dva odstotka izdela v Evropi.

Ko se zaprejo vse prometne poti, kot v času te pandemije, ko azijski proizvajalci poskrbijo predvsem zase, vidiš, kje si. Sicer se je to dogajalo že prej, azijski proizvajalci so vselej najprej poskrbeli za domači trg in temu namenili najboljše izdelke. Evropa, tudi njena avtomobilska industrija, je morala to vse bolj razvijati sama, ob čemer se je kmalu postavilo vprašanje, zakaj jih ne bi tudi sama proizvajala.

Preberite še:
Poiskati moramo rešitve, ki so dobre za Slovenijo

Ampak to ni kar neka odločitev, verjetno jo pogojuje kar nekaj zahtev?

Seveda, proizvodnja mora biti ekonomsko upravičena, trajnostna, na ekološko veliko višji ravni, kot je verjetno v nekaterih tovarnah na Kitajskem, predvsem pa mora Evropi prinesti neko prednost. Da ne bomo le bolj množično izdelovali nečesa, kar se že počne drugje. Mislim pa, da je velika prednost Evrope v inovativnosti, to imamo v kulturi. Ravno zaradi tega je bila oblikovan projekt Battery 2030+, da se pregleda, kaj lahko naredimo in kako naj to naredimo, da bomo ustvarili to prednost.

Skoraj dve leti smo delali v tej smeri, ravno prejšnji teden smo sprejeli načrt dela za naslednje desetletje s tremi glavnimi področji dela, na katere je potrebno usmeriti bazične raziskave, pa tudi presečna področja raziskav med njimi samimi. Cilj prvega področje je, da akumulatorje izdelamo tako, da bo njihova degradacija (upadanje zmogljivosti s časom uporabe, op. p.) čim manjša, kar pomeni, da moramo izboljšati njihove medfazne površine, da bodo bolj stabilne. Tega se bomo lotili tako z eksperimentalnim delom kot tudi z intenzivnim računskim modeliranjem in umetno inteligenco. Ravno je bil odobren prvi 20 milijonov evrov vreden projekt, kjer se bodo nastavile te osnove.
 

Robert Dominko: »Velika prednost Evrope je v inovativnosti, to imamo v kulturi. Ravno zaradi tega je bil oblikovan projekt Battery 2030+.« FOTO Mavric Pivk/Delo
 

To je na ravni Evropske unije, kaj pa v okviru tega počne Kemijski inštitut?

Naša skupina je aktivna na področju študij degradacijskih procesov in s tem njihovega razumevanja ter posledično preprečevanja, čemur bi po medicinsko rekli preventiva, veliko bolj pa smo skupaj s francoskimi kolegi aktivni na področju kurative. Tudi v tem primeru izhajamo iz medicine – ta je v zadnjih nekaj desetletjih tako močno napredovala zaradi izboljšane senzorike, ker zdravniki bolj vedo, kaj se dogaja v telesu in na podlagi tega lahko farmacevti razvijejo zdravila. Tudi mi izhajamo iz tega stališča, v akumulator je potrebno vpeljati senzor, ki bo zaznal degradacijske procese in na podlagi tega bomo lahko razvili t.i. samozdravilne mehanizme v akumulatorju.

Bodisi da bodo to materiali, ki se bodo sami obnavljali, ali pa da bodo to majhne kapsule, ki jih bomo sprožili s kakim zunanjim dražljajem, kot je višja temperatura ali višja napetost. S proženjem takšnih mehanizmov lahko podaljšamo življenje akumulatorja, katerega stanje je bilo sicer že slabo. Poleg tega bo s tem možen nadzor tega stanja; akumulatorske celica je trenutno kot črna skrinjica, neznanka, če je ne odpremo, ne vemo, kakšno je stanje. Električni avtomobil je lahko imel le manjše število polnjenj, a so bila ta opravljena na hitri polnilnici, kjer nekatere celice hitreje propadajo … Ko bomo imeli te senzorje, bo stanje vidno v trenutku.

Kdaj bi lahko vse to imeli v »naših« električnih avtomobilih?

Temperaturni senzor se lahko s stališča proizvodnje same celice vpelje dokaj hitro, je pa potrebno ob tem nadgraditi še celoten nadzorni sistem, ki bo ta signal sprejemal. Če smo optimistični, bi jih morda lahko imeli na trgu v petih do sedmih letih. To bi nam že precej zmanjšalo poslabšanje zmogljivosti akumulatorjev; zdaj je namreč temperatura v celici v bistvu neznanka, trenutno se modelira, le z modeli pa je težko zadeti vse parametre – akumulatorske celice so kot ljudje, sicer neko povprečje velja, a je v resnici vsaka zase posebna. Za metode samozdravljenja, ki bodo sprožene na osnovi tega, vsaj tiste bolj enostavne, potrebujemo deset let, tiste bolj kompleksne, ki bodo omogočale tri življenjske dobe avtomobila, pa še malo kasneje.

Je to v interesu industrije, namreč da akumulator traja za tri avtomobilske življenjske dobe? Včasih se je, denimo, govorilo, da je bila pločevina v šasiji namerno pripravljena tako, da je po nekaj letih začela rjaveti …

Od avtomobilskih proizvajalcev se zahteva, da znižujejo izpust ogljikovega dioksida, to pa lahko v večji meri dosežejo le z uvajanjem električnih avtomobilov. Glede na sedanje cene sestavnih delov so električni avtomobili trenutno dražji, to pa lahko znižajo le tako, da podaljšajo življenjsko dobo pogonskega sistema. Avtomobilske družbe bodo lastnik vsega, tudi proizvodnje akumulatorjev ter električnih motorjev, tako slišim, da bodo morda vse skupaj prodajale po dvakrat ali trikrat.

Preberite še:
Pobuda Battery2030+ z razvojnim načrtom dela
Pogoj za hitrejši prehod na e-mobilnost je široka mreža polnilnic
 

Kaj pa večna tema, kdaj bo akumulator ne le trajnejši, ampak bo imel že v osnovi večjo zmogljivost in z njim električni avtomobil večji doseg?

Veliko je raziskav na področju litij-ionskih akumulatorjev s trdnim elektrolitom, »all solid state battery«, ki naj bi omogočil tudi uporabo kovinskega litija. S tem bo šla masna energijska gostota navzgor za 20 odstotkov, volumska pa še bolj. Slednje je za avtomobile bolj pomembno, in to bi prineslo preskok v dosegu. Celoten segment elektrifikacije pa obsega ogromno materialov, za shranjevanje viškov energije iz obnovljivih virov bodo pomembni okoljska vzdržnost, cena in trajnost delovanja. To pa so popolnoma drugačni koncepti razvoja.

Koliko pa je v novem projektu poudarka na tem, da bi se rešili odvisnosti od nekaterih kovin, katerih pridobivanje je sporno?

Najbolj problematičen je v tem pogledu kobalt, a sta dva največja evropska proizvajalca litij-ionskih akumulatorjev njegovo uporabo na ravni prototipa že radikalno zmanjšala in bo tako že čez nekaj let v proizvodnji. Drug problematičen element, a v manjši meri, je nikelj, ki ga veliko potrebuje tudi jeklarska industrija. Ocenjuje se, da bi ga bilo vseeno zadosti za akumulatorje na področju električne mobilnosti, morda bi v manjših, mestnih električnih vozilih, kjer ni potrebna tolikšna energijska gostota, uporabili mangan, ki ga je ogromno. Strategije so izdelane, je pa za vse to le potrebno še veliko načrtnega dela in nekaj bazičnih raziskav, da bo vse to uporabno.

Kaj pa litij?

Za samo električno mobilnost ga je dovolj, problem pa bi bil, če bi ga hoteli uporabljati še za shranjevanje energije iz obnovljivih virov. Tu pride v poštev še natrij, ki deluje kot »debelejši brat« litija, ki pa ne zmore toliko. A obstajajo zagonska podjetja, na primer v Franciji, ki pripravljajo natrij-ionski akumulator za električni avtobus, ki se lahko na končni postaji napolni le v petih minutah. Energijska gostota je v tem primeru manjša kot pri litiju, ampak avtobus ima dovolj volumna. Druge kemične sestave se lahko razvijajo v takšne segmente.

Vi se v okviru inštituta ukvarjate z razvojem. Kakšne pa so možnosti Slovenije, da bi razvila kompleksnejši (tudi proizvodni) baterijski center?

Pred izbruhom koronavirusa je v tej smeri kazalo kar dobro, zdaj pa bo to zaradi finančne krize vprašljivo. Nekako se sicer potreba po nečem takem pojavlja, saj vse več podjetij izkazuje potrebo bodisi na področju uporabe bodisi shranjevanja akumulatorjev. Tudi glede same proizvodnje obstajajo indici po tovrstnih željah, po proizvodnji litij-ionskih akumulatorjev. S tem se pojavlja potreba po še več novih kadrih, tako bi tak center postal valilnica kadrov in podpora industriji. Mi bi lahko pomagali s svojim znanjem, bodisi pri varnostnih testiranjih ali da bi druge inštitucije, na primer fakulteta za strojništvo ali Inštitut »Jožef Stefan«, v takšnem centru na prototipnih napravah preizkušale svoje znanje. Sam si v ta namen močno prizadevam pridobiti sredstva, povezana z medregijsko iniciativo na baterijah, ki jo koordinira Kemijski inštitut in vključuje 28 regij iz celotne Evrope – a kot rečeno, je vprašanje, kakšne bodo finančne posledice virusne krize.