חטיבת הסוללות PowerCo מקבוצת פולקסווגן דיווחה השבוע על השלמתם המוצלחת של ניסויים שבמסגרתם הוטענה ונפרקה סוללת 'מצב מוצק' מתוצרת QuantumScape האמריקנית יותר מ-1,000 מחזורי טעינה, ולאחריהם נותרה לה קיבולת של יותר מ-95%. לדבריהם, מכונית חשמלית שתצויד בסוללה כזאת עם תכולת אנרגיה שתספיק ל-500-600 קילומטרים תוכל להשלים יותר מ-500,000 קילומטרים כמעט ללא אובדן טווח.

במקביל, בארצות הברית אושרה ופורסמה בשבוע שעבר בקשת פטנט של יונדאי לתהליך יצור חדשני של סוללת 'מצב מוצק' אשר יאפשר בניית סוללות פחות יקרות ויותר בטוחות, ואלה רק שני צעדים נוספים במסע שבו צועדות כיום עשרות חברות שרוצות להשיג את "הגביע הקדוש" בתחום הסוללות לרכב חשמלי.

כפי שדיווחנו כאן לא אחת, סוללת 'מצב מוצק' היא אחת החזיתות המבטיחות בדרך אל הסוללה האידאלית אבל לא היחידה, ומה שמייחד את ה"ז'אנר" הזה הוא אלקטרוליט, כלומר חומר התווך שבו נעים יונים חשמליים בין קטבי הסוללה, שעשוי מחומר קשיח או קשיח למחצה במקום חומר נוזלי. בראיה עתידית מבטיחה הטכנולוגיה הזאת תכולת אנרגיה גבוהה שתאפשר טווחי נסיעה ארוכים, משך טעינה קצר יותר ובטיחות מרבית.

PowerCo דיווחה השבוע שתא ה'מצב המוצק' החדש השלים, כאמור, בהצלחה יותר מ-1,000 מחזורי טעינה במהלך מספר חודשי בדיקות, ולאחריהן נמצא שהוא "בקושי הזדקן" והפסיד רק כ-5% מתכולת האנרגיה המקורית שלו. לשם השוואה, המדדים הידועים כרגע בתעשייה הם אובדן של כ-20% תכולה כעבור 700 מחזורי טעינה.

קבוצת פולקסווגן הייתה אחת המשקיעות הראשונות בחברת הסטארט אפ קוואנטום ספייס והיא בעלת מניות בחברה הזאת כבר משנת 2012. כעת מבטיחים אנשי 'פאוור קו' שמדובר בתוצאות מעודדות שמבססות את הפוטנציאל של תא 'מצב מוצק' בדרכו להיות טכנולוגיה שמאפשרת תכולת אנרגיה גבוהה וטעינה מהירה ובטוחה. הם מבטיחים גם שהם עובדים בנחישות יחד עם 'קוואנטום ספייס' על תיעוש הטכנולוגיה הזאת לקראת ייצור סדרתי.

הדגש של אנשי QuantumScape, גם בהודעה שפרסמו לבעלי המניות של החברה, הוא על העמידות של הכימיה שלהם אבל באף מקום לא נזכרת צפיפות האנרגיה שלה, שהיא מדד משמעותי נוסף לשימושיות של סוללה. נכון להיום מדובר עדיין באחת מנקודות התורפה של הטכנולוגיה. לדבריהם, השלב הבא בדרך לייצור סדרתי הוא הנדסת תהליכי הייצור, וזאת בדיוק הנקודה שבה רשמו אנשי יונדאי את פריצת הדרך שלהם.

ארזתם לבד?

הפטנט של יונדאי שפורסם בשבוע שעבר על-ידי משרד הפטנטים האמריקני הוא על שיטת ייצור של סוללת 'מצב מוצק' לרכב חשמלי וליתר דיוק: שיטת הקיפול והאריזה של כל אחד מתאי הסוללה.

בתא של סוללת ליתיום-יון מצויה עם אלקטרוליט נוזלי יש מפריד פיזי שנמצא בין האלקטרודה השלילית לאלקטרודה החיובית, וכאשר מפריד זה נפגע מעיוות מבני, תקלת ייצור או פגיעה חיצונית עלול להתרחש קצר חשמלי שמגביר את סכנת ההתחממות ו"בריחה טרמית" שגורמת לשריפה או פיצוץ.

אחד היתרונות הבולטים של סולת 'מצב מוצק' טמון בשליטה בחומר האלקטרוליטי, בין השאר בכך שנמנעת דליפה של תמיסת אלקטרוליטים מתוך התא וכן בקלות העיצוב של כל תא ליחידות דקות ו"מפוסלות". הפטנט החדש של יונדאי קשור לאופן שבו מונחות ומקופלות שכבות האלקטרוליט יחד וסביב האלמנטים האחרים של כל תא, והצמצום המשמעותי של 'נקבוביות' שאופייניות לתהליכי ייצור נוכחיים.

התהליך החדש כולל גלגול ויישום שכבות חיץ בין האלקטרודה השלילית ולאלקטרודה החיובית ו"מקסום אזורי היצמדות בין-שכבתית" – מה שזה אומר. בתיאור הפטנט, למי שמתעניין, נכתב ש"ההמצאה מספקת סוללת מצב מוצק שכוללת שכבת אלקטרוליטים מוצקים מבוססי סולפיד, אלקטרודה שלילית המוגדרת לכלול שכבת חומר פעיל שלילי המוערמת על משטח ראשון של שכבת האלקטרוליטים המוצקים, ושכבת חיץ שלילית המוערמת על משטח ראשון של שכבת החומר הפעיל השלילי" (אגב, זה ממשיך וממשיך, הבאנו רק דוגמית קטנה…).

הפטנט של יונדאי הוא על עצם האריזה ותהליך הייצור של כל תא ועל שיטת ההטבעה שבה מיוצרות האלקטרודות אשר נועדה לייצר חספוס ייחודי של פני השטח של האלקטרודות, ובנוסף גם על שיטת המריחה של חומרים שונים, בהם מוליכים ומפרידים, בתוך התהליך.

אם זה לא היה מסובך מספיק עד כה אז חלק מן הפטנט מוקדש לאמצעי שיוצר לחץ איזוסטטי של נוזל בתוך כל מארז של קבוצת תאים במטרה לנהל טוב יותר את זרימת החשמל בסוללה, ובמערכת בקרה שכוללת חיישנים ומפקחת על הלחץ, המתח, ועל הטמפרטורה. ככל הנראה מדובר בנוזל קירור ובתיאור הפטנט נכתב שהלחץ התוך "מארזי" נשמר לאורך כל הזמן ללא קשר לקצב או למצב הטעינה והפריקה.

לקריאה נוספת:

המירוץ אל סוללת מצב מוצק, טעינה מהירה וטווח נסיעה של 1000 קילומטרים: סין מול יפן מול קוריאה, ותעשיית הרכב מול תעשיית הסוללות

הסוללה החדשה של סאמסונג: טעינה אולטרא-מהירה במחיר עממי

The post עוד שני צעדים לקראת סוללות מצב מוצק: פולקסווגן מבטיחה סוללת 500,000 קילומטרים ללא אובדן טווח ויונדאי חשפה פטנט על סוללה בטוחה במיוחד appeared first on TheCar.

אחד ממושגי הקסם, "הגביע הקדוש" של תחום הסוללות לרכב חשמלי בשנים האחרונות, הוא "סוללות מצב מוצק" אשר מבטיחות לשנות באופן קיצוני את יעילות השימוש בכלי רכב חשמליים בזכות טעינה מאוד מהירה ותכולת אנרגיה גבוהה.

פריצת הדרך הזאת, חשובה ככל שהיא, לא יכולה ולא תהיה התשובה היחידה של טכנולוגיות הסוללה לדרישות העולמיות לאגירת אנרגיה, ובתוך שלל התאריכים וההבטחות שנזרקים לאוויר בהקשר לטכנולוגיה הזאת צריך להבדיל בין מועד ההשקה של מוצר מסחרי כזה לבין מועדי התיעוש והסטנדרטיזציה של הטכנולוגיה הזאת. רק ייצור מסחרי בקנה מידה נרחב יבטיח שסוללות מצב מוצק יותקנו במכונית שלנו ולא רק באי אילו מכוניות שאינן רלוונטיות אלינו.

חדשות חשובות ומעניינות שנשמעו בתערוכת המכוניות של גוואנג'ו, שנפתחה בסין לפני כשבועיים, פורסמו על-ידי שתי יצרניות רכב סיניות שממוקמות בינתיים רק בשורה השנייה או השלישית של תחום הרכב החשמלי מבחינת מכירות, מגוון דגמים או פריצות דרך טכנולוגיות. זאת בדיוק הסיבה שאלה חדשות חשובות.

GAC המקומית, שכזכור עשתה אצלנו ביקור חטוף והבטיחה לחזור אלינו בעתיד בדמות חטיבת הרכב החשמלית שלה – AION, מבטיחה להיות בין יצרניות הרכב הראשונות בעולם שיציעו מכוניות מייצור סדרתי עם סוללות מצב מוצק, ושזה יקרה כבר בשנת 2026, כלומר ממש מעבר לפינה.

אנשי GAC הבטיחו שלסוללות שלהם יש צפיפות אנרגיה (ברמת התא) של 400 וואט-שעה לקילוגרם (Wh/kg), ושהן עברו כבר ניסויים מפרכים והוכיחו את היעילות שלהן גם בתנאים קיצוניים. לשם השוואה, צפיפות האנרגיה של סוללת Qilin המתקדמת של CATL הסינית – יצרנית הסוללות הגדולה ביותר בעולם – היא 255 Wh/kg (ברמת המארז). אנשי GAC הצהירו הצהרה חשובה נוספת, שתתחבר מיד עם נתונים אחרים, וסיפרו שהם שוקדים גם על הפיתוח של "מספר סוגי סוללות חדשים נוספים", ובהם סוללות נטולות קובלט ונתרן-יון. עם זאת, הם לא חשפו פרטים נוספים בקשר לכך.

בהערת אגב נזכיר ש-GAC היא אחת השותפות של טויוטה בייצור ושיווק מכוניות בסין (וגם להיפך, טויוטה, כמו הונדה, היא אחת השותפות של GAC), וזה חשוב כי טויוטה מסתמנת כאחת היצרניות ששמו להן למטרה להוביל את המירוץ אל סוללת מצב מוצק.

חשובה לא פחות העובדה ש-GAC השקיעה כבר כ-1.5 מיליארד דולר בהקמת מפעל סוללות ראשון בבעלותה המלאה, והמפעל הזה צפוי להתחיל לייצר סוללות ליתיום-יון קונבנציונליות ממש בימים אלה. לא מדובר בסתם "מפעלונצ'יק", אלא באופרציה שתגיע בשיאה לפוטנציאל ייצור שנתי של 36 גיגה-וואט שעה (GWh), וזאת כמות סוללות שיכולה לשמש ב-600,000 כלי רכב חשמליים.

במקביל, יצרנית הרכב הסינית 'צ'נגאן', החמישית בגודלה בסין ושותפתה (בין השאר) של פורד, הכריזה באותו מעמד שהיא מתכננת להגיע לשוק עם סוללת מצב מוצק כבר במהלך שנת 2027, והיא מתחייבת לצפיפות אנרגיה מרשימה (ברמת התא) של עד 500 וואט/ק"ג. צ'נגאן השקיעה כמעט 1.4 מיליארד דולר בחטיבת הסוללות החשמליות שלה ובין השאר יותר מאשר תכפיל את מספר עובדי המחקר והפיתוח מ-1,200 ל-3,000 במהלך השנה הקרובה.
החטיבה הזאת תפתח במקביל גם סוללות ליתיום-גופרית וגם "סוגי סוללות חדשים אחרים", ונדמה שהתמונה כבר מתחילה להתבהר: מי שהניעו עד היום את כל תהליכי המחקר, הפיתוח, התיעוש והייצור של סוללות בכלל ובפרט סוללות לרכב חשמלי היו יצרניות סוללות – מ'סוני', LG וסאמסונג ועד ל-CATL ו-BYD, והן נעזרו במידה רבה בספקיות משנה שלהן ובאוניברסיטאות ומכוני מחקר. אלא שאצל יצרניות הרכב "נפל אסימון", והן מבינות שסוללות לרכב חשמלי הן משאב אסטרטגי שראוי להיאבק עליו וטכנולוגיה שכדאי לשלוט בה.

הבידול בין כלי רכב חשמליים בעתיד יהיה לא רק בעיצוב, בביצועים ובפונקציות של קישוריות ובידור אלא גם בטכנולוגיית הסוללות, וזה מאד הגיוני בהתחשב בכך שהטכנולוגיה הזאת גוזרת את המחיר שלהן ואת ביצועי הטווח ומהירות הטעינה.

הגביע הקדוש

אחד הרכיבים הרגישים והבעייתיים בסוללות רכב חשמלי הוא האלקטרוליט – נוזל או ג'ל שדרכו נעים יונים בין האנודה לקתודה ובחזרה. התרכובת הכימית של האלקטרוליט משפיעה על צפיפות האנרגיה בעוד שהאפשרות ל"בריחת" אלקטרוליט מתוך התא הסגור, למשל כתוצאה של חבלה פיזית, מגדירה את רמת הסיכון שהסוללה תתלקח ותבער. סוללות מצב מוצק עמידות מאוד בפני זעזועים ולא מתלקחות גם בטמפרטורות גבוהות, וזה עושה אותן בטוחות הרבה יותר. הן גם קלות יותר ועמידות במתח גבוה יותר.

הפתרון התיאורטי למגבלות של אלקטרוליט נוזלי הוא אלקטרוליט מוצק, אלא שבין התיאוריה למציאות צריך להתגבר על מגבלות פיזיקליות כמו תנועה איטית יותר של אלקטרונים בתווך מוצק ביחס לתווך נוזלי, קושי לספק עמידות לטווח ארוך ועלויות ייצור. משך הזמן שנדרש למעבר של יונים באלקטרוליט מוצק ארוך יותר מאשר דרך חומר נוזלי וזה אומר שמשך הטעינה מתארך וגם הזמן שנדרש כדי לשחרר אנרגיה מן הסוללה.

תעשיית הסוללות נאבקת באתגרים האלה מזה יותר מעשור ומידי פעם נרשמות פריצות דרך והכרזות כאלה ואחרות. אחת ההבטחות היותר מוצקות (תרתי משמע) שנשמעו עד כה היא של טויוטה שמבטיחה כעת מסחור של הטכנולוגיה הזאת בשנת 2027. ניסאן, המתחרה הגדולה מיפן, מבטיחה הבטחה דומה עם תאריך יעד של שנת 2028, ואילו אנשי ב.מ.וו מדברים על שנת 2030.

ככל הידוע, תאריך היעד המוקדם ביותר לכלי רכב מתוצרת יצרנית מסה הוא שנת 2025, ועל המועד הזה חתומה יצרנית הרכב הסינית הממשלתית הגדולה ביותר – סאיק, שהכריזה מוקדם יותר השנה על הגדלת חלקה בחברת הסטארט-אפ הסינית 'צ'ינגטאו'. אנשי סאיק מבטיחים שלא מדובר בגימיק ובהצגת טכנולוגיה רק לשם ההצגה, אלא שהם ייצרו וימכרו בשנת 2025 לא פחות מ-100,000 כלי רכב חשמליים עם סוללות מצב מוצק.

התמקדות באלקטרוליט עצמו, וברכיבים פנימיים אחרים של תאי הסוללה, מזכירה לנו שבחזית הזאת נמצאות כמה וכמה חברות ישראליות מבטיחות כמו 'סטורדוט', 3DBattery ואחרות, כמו גם מאות מכונית מחקר וחברות קטנות וגדולות שחלקן צפויות להשיג פריצות דרך חשובות בשנים הקרובות.

למשל, חברת Koike היפנית מתמקדת בפיתוח של אלקטרוליט חד-גבישי שמבטיח להאריך משמעותית את אורך החיים של סוללת מצב מוצק, וזאת על בסיס עבודה של המכון הלאומי למדע וטכנולוגיה תעשייתיים מתקדמים ביפן (AIST). אנשי קוייקי טוענים שממש בקרוב הם יתחילו לחלק דגימות של החומר שפיתחו ליצרניות סוללות ברחבי העולם במטרה להגיע למסחור של הטכנולוגיה הזאת עוד לפני שנת 2028.

חברות אחרות מבטיחות שהפורמולות שלהן מתגברות על אתגרים רבים אחרים כמו משך הטעינה, מחיר, זמינות חומרי גלם ועוד, אבל האתגר הגדול ביותר של כל החברות האלה ושל המשקיעים הוא ייצור תעשייתי ומסחרי.

מחיר, טווח ומהירות טעינה

על אף ש"מצב מוצק" נשמע כמו פתרון אידאלי, ודאי לצורך יישומים אוטומוטיביים, צריך לשים לב שתעשיות הרכב והסוללות ממש לא ממוקדות רק בכיוון הזה. למען האמת רוב תשומת הלב ורבות מפריצות הדרך מגיעות מטכנולוגיות סוללה שמכילות אלקטרוליטים נוזליים, וחדשות לבקרים אנחנו שומעים על חומרים חדשים ושיפורים גדולים בתכולת האנרגיה של תאי סוללה, בעמידות שלהם לאורך זמן ובקיצוצי עלויות.

בכל מקרה, יצרניות הסוללות לא יושבות בחיבוק ידיים בשעה שהלקוחות שלהן מפתחות בעצמן טכנולוגיה ומתקני ייצור. יצרנית הסוללות הגדולה בעולם, CATL חשפה מוקדם יותר השנה סוג של פתרון ביניים: סוללת "מצב מוצק למחצה" עם אלקטרוליט דמוי ג'ל והבטחה להתחלת ייצור המוני עד לסוף השנה. תחת "כוכבית" שצמודה להצהרה הזאת צריך לומר שסוללת ה"מוצק למחצה" של CATL מיועדת לתעשיית התעופה, וזו תעשייה שמסוגלת לשלם מחירים הרבה יותר גבוהים מתעשיית הרכב.

טויוטה, כזכור, כיכבה השנה בכותרות עם מפת דרכים לעידן הרכב החשמלי שעליה מסומן יעד לייצור של 3.5 מיליון כלי רכב חשמליים בכל שנה משנת 2030, ומי שהציץ במפה הזאת ודאי שם לב שסוללות מצב מוצק אמנם מופיעות עליה אבל לא לבד ולא במרכז. טויוטה, כך פורסם ביפן, תייצר בכל שנה בסוף העשור רק "כמה עשרות אלפי כלי רכב" חשמליים עם סוללות מצב מוצק, ואם התוכניות של 'סאיק' ריאליות הרי שזה יקרה הרבה אחרי שהסינים כבר ייצרו מאות אלפי מכוניות כאלה.

רוב כלי הרכב החשמליים הגדולים של טויוטה יציעו טווחי נסיעה של בין 800-1,000 קילומטרים עם סוללות קונבנציונליות יקרות יותר או פחות, ואלה ייוצרו בין השאר במפעל סוללות חדש שטויוטה הקימה בצפון קרולינה שבארה"ב וצפוי להגיע בסוף העשור לתפוקה של 30 ג'יגה-וואט שעה. בחלוקה למארזי סוללה של כ-80 קילוואט-שעה זה מספיק כדי לייצר 375,000 מכוניות חשמליות, וזה רק בארה"ב.

במילים אחרות, אחד ה"אויבים" של סוללות מצב מוצק הוא ההשקעה העצומה של תעשיות הרכב והסוללות בטכנולוגיות הזמינות יותר, אלה שעובדות כבר כרגע. המשמעות היא שגם בסוף העשור סביר שרוב רובן המכריע של מכוניות חשמליות שיוצעו באולמות התצוגה יהיו עם סוללות עם אלקטרוליט נוזלי, והשיפורים החשובים ביחס לסוללות שמוכרות לנו כרגע יושגו בעלויות ייצור, מהירויות טעינה, וצפיפות אנרגיה – וכל אלה יאריכו את טווחי הנסיעה.

ממשלת ארה"ב, כמו הממשלות באירופה ובקוריאה, הפנימה זה מכבר את הערך האסטרטגי העצום של אגירת אנרגיה וטכנולוגיית סוללות, ולכן שני הקרבות הכי מעניינים שצפויים לנו עד לסוף העשור הם ראשית לכל על ההגמוניה בטכנולוגיות סוללה ובהיקפי ייצור בין יפן, קוריאה, אירופה וארה"ב לבין סין, וקרב לא פחות מעניין בין יצרניות הסוללות לבין הלקוחות הגדולים שלהן – יצרניות הרכב.

לקריאה נוספת:

הרכב החשמלי שלנו ייטען תוך שניות בודדות

האם "סיליקון במצב מוצק" הוא פריצת הדרך הבאה בתחום הסוללות?

המרוץ אל טעינה סופר מהירה: מתי נוכל לטעון רכב חשמלי תוך חמש דקות?

CATL חשפה סוללה עם טווח של 1,000 קילומטרים. בקרוב אצלנו

הסוללה החדשה של סאמסונג: טעינה אולטרא-מהירה במחיר עממי

The post המירוץ אל סוללת מצב מוצק, טעינה מהירה וטווח נסיעה של 1000 קילומטרים: סין מול יפן מול קוריאה, ותעשיית הרכב מול תעשיית הסוללות appeared first on TheCar.