Innowacje rynkowe: Baterie półprzewodnikowe

Boom na akumulatorowe pojazdy elektryczne (BEV) jest efektem ideałów promowanych przez rządy, regulacje i etykę biznesową. Póki co nie ma nikogo BEV zdolny zaspokoić potrzeby konsumentów w taki sam sposób, jak pojazd z silnikiem spalinowym (ICE), a na podstawie planów działania ogłoszonych przez producentów samochodów nic nie wskazuje na to, że taki pojazd pojawi się do 2030 r.

Caratteristiche

Nie jest łatwo opracować BEV które, podobnie jak obecne pojazdy ICE, można zatankować w trzy minuty, mają zasięg 1.000 km na pełnym zbiorniku, korzystają z wystarczającej infrastruktury i mogą być z łatwością eksploatowane przez co najmniej 10 lat. Jednakże pojawienie się akumulatorów całkowicie półprzewodnikowych może zakłócić obecną sytuację i znacznie przyspieszyć przyjęcie akumulatorów na rynek BEV.

Gdy akumulatory litowo-jonowe, szeroko stosowane w smartfonach i innych zminiaturyzowanych urządzeniach elektronicznych, są używane w zastosowaniach motoryzacyjnych, stawiają one znacznie wyższe wymagania w zakresie bezpieczeństwa i żywotności baterii.

Jednocześnie istnieje kompromis między poprawą zasięgu, która zasadniczo wymaga zwiększenia gęstości energii, a bezpieczeństwem/trwałością. Ten kompromis jest głównym powodem, dla którego wydajność obecnych akumulatorów litowo-jonowych jest postrzegana jako prawdopodobnie nie do pokonania bariera dla zwiększonego udziału pojazdów elektrycznych na rynku.

Baterie półprzewodnikowe mogą potencjalnie rozwiązać te problemy. Baterie półprzewodnikowe mają długą historię. Elektrolity stałe zostały opracowane w latach 70. XX wieku, ale niewystarczające przewodnictwo jonowe ograniczyło ich zastosowanie. Jednak niedawno odkryto elektrolity stałe o przewodności jonowej podobnej lub lepszej niż elektrolity ciekłe, co przyspieszyło prace badawczo-rozwojowe.

Producenci samochodów

Podczas Salonu Samochodowego w Tokio w 2017 r. Toyota ogłosiła cel komercjalizacji BEV całkowicie półprzewodnikowy w pierwszej połowie lat dwudziestych XX wieku. Chociaż pierwsza generacja BEV który będzie wykorzystywał wyłącznie akumulatory półprzewodnikowe, którego wprowadzenie na rynek ma zostać wprowadzone przez Toyotę, będzie miał jedynie ograniczoną wielkość produkcji, ogłoszenie firmy niewątpliwie pobudzi do dalszych wysiłków wielu firm, badaczy i organów rządowych na rzecz rozwoju wszystkich akumulatorów półprzewodnikowych .

Volkswagen, Hyundai Motor i Nissan Motor ogłosiły inwestycje w start-upy, więc uważamy, że jest to temat, któremu prawdopodobnie przyda się znacznie większa uwaga.

Potencjał baterii półprzewodnikowych

Obecne akumulatory litowo-jonowe składają się z katody, roztworu elektrolitu, separatora i anody. Różnica w akumulatorze półprzewodnikowym polega na tym, że elektrolit jest stały. W rzeczywistości wszystkie komponenty i materiały są stałe, stąd terminologia „stan stały”.

Właściwości akumulatorów półprzewodnikowych zależą od zastosowanych materiałów, jednak dotychczasowe badania wskazują na wyraźny potencjał w zakresie bezpieczeństwa, odporności na wycieki, odporności na spalanie (uproszczona struktura chłodzenia), miniaturyzacji, elastyczności konstrukcyjnej w zakresie formowania bezpośredniego kontaktu warstwa ogniwa, stosunkowo długi cykl rozładowania, brak degradacji dzięki dobrym właściwościom w wysokich/niskich temperaturach, krótkie czasy ładowania, wysoka gęstość energii i wysoka gęstość mocy.

W przeszłości niska gęstość mocy była postrzegana jako słabość akumulatorów półprzewodnikowych, ale Tokyo Institute of Technology i zespół badawczy Toyoty wspólnie opracowali akumulator półprzewodnikowy o trzykrotnie większej gęstości mocy i dwukrotnie większej gęstości energii w porównaniu z istniejącymi baterie litowo-jonowe. Wierzymy, że wszystkie akumulatory półprzewodnikowe mają potencjał przezwyciężenia wad pojazdów elektrycznych.

Wpływ penetracji rynku akumulatorów półprzewodnikowych

Do głównych skutków akumulatorów półprzewodnikowych dla przemysłu motoryzacyjnego należy przyspieszenie wprowadzenia ich na rynek BEV oraz zmiany w łańcuchu dostaw baterii BEV. Sześć BEV zastąpiłyby pojazdy ICE, nie byłoby zapotrzebowania na silniki, skrzynie biegów i powiązane części, ale pojawiłoby się nowe zapotrzebowanie na akumulatory, falowniki, silniki i części związane z tymi układami.

Dla konwencjonalnych monterów samochodów, którzy we własnym zakresie produkują silniki i układy napędowe, upewnienie się, że są w stanie samodzielnie opracować akumulatory półprzewodnikowe, jest ważnym źródłem wartości dodanej. Dla dostawców ważny będzie przegląd podstawowych technologii w celu opracowania nowych komponentów.

Jeśli nastąpi wzrost przyjęcia na rynek BEVPrawdopodobnie ulegną zmianie także ogólnokrajowe przepisy regulujące kwestie takie jak podatki, polityka energetyczna i zasoby.

Przejście z akumulatorów litowo-jonowych w stanie ciekłym na stałe oznaczałoby również przejście z elektrolitów płynnych na stałe i zmniejszenie zapotrzebowania na separatory, a także pojawiłby się potencjał wykorzystania nowych materiałów na katody i anody.

Materiały użyte w całkowicie półprzewodnikowych akumulatorach, które Toyota wprowadzi na rynek w pierwszej połowie 2020 r., będą prawdopodobnie podobne do tych stosowanych obecnie, a ponieważ wielkość produkcji zostanie zmniejszona, wpływ na obecny łańcuch dostaw prawdopodobnie będzie również mniejszy. mały. Jeśli jednak zauważymy znaczny postęp w pracach badawczo-rozwojowych, akumulatory półprzewodnikowe dostępne w drugiej połowie lat 2020. i 2030. XX wieku prawdopodobnie będą przełomowe.

Bariery we wprowadzaniu na rynek akumulatorów półprzewodnikowych

Mówiono o uprzedzeniach wobec i BEV, ale obecny konsensus rynkowy jest taki, że obecnie żyjemy w epoce „dywersyfikacji układów napędowych”, a nie w epoce dorastania BEV takie jak. Wierzymy jednak, że jeśli wysiłki zmierzające do opracowania masowej produkcji akumulatorów półprzewodnikowych zakończą się sukcesem, nadejdzie era BEV może być blisko.

Mimo to trzeba będzie przezwyciężyć szereg problemów. Prace badawczo-rozwojowe mające na celu masową produkcję wszystkich akumulatorów półprzewodnikowych dopiero się rozpoczęły i nie jest jeszcze jasne, w jakim stopniu koszty produkcji spadną. Teoretycznie powinien istnieć znaczny potencjał redukcji kosztów, biorąc pod uwagę uproszczenie zestawów akumulatorów i wykorzystanie tanich materiałów elektrodowych.

Z drugiej strony, jeśli nastąpi większy niż oczekiwano postęp w poprawie wydajności akumulatorów litowo-jonowych i większej redukcji kosztów, przejście na akumulatory całkowicie półprzewodnikowe może zostać opóźnione.

Przyszłość

Istnieje również ryzyko, że zainteresowanie m.in BEV same w sobie mogą zaniknąć ze względu na rozwój hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) i standardowych pojazdów ICE, debatę na temat „od źródła do kół” i ponowną popularność pojazdów z silnikiem Diesla, co może oznaczać osłabienie wysiłków na rzecz rozwoju wszystkich akumulatorów półprzewodnikowych.

Z punktu widzenia zasięgu i czasu potrzebnego na zatankowanie wodoru, kolejnym potencjalnym konkurentem są pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi. Chociaż problemy z infrastrukturą stanowią problem, istnieje znaczny potencjał w zakresie zastąpienia paliw kopalnych i transportu energii.

W przeprowadzonym przez KPMG badaniu Global Automotive Executive Survey 2018 pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi będą najważniejszym trendem do 2025 r. BEV zajęła 3. miejsce według światowych dyrektorów branży motoryzacyjnej. W 2017 r. ta sama ankieta odwróciła sytuację, w której m.in BEV na pierwszym miejscu, a pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi na trzecim.

BlogInnovazione.it