Czy grafen zrewolucjonizuje rynek baterii do pojazdów elektrycznych (EV) do połowy lat 30. XXI wieku? Według nowej platformy analizy opartej na sztucznej inteligencji (AI), która przewiduje przełomy technologiczne na podstawie globalnych danych patentowych, to bardzo prawdopodobne.
Wraz z przyspieszeniem globalnej transformacji w kierunku elektryfikacji transportu, poszukiwanie idealnej baterii do EV – oferującej optymalną równowagę między kosztem, gęstością energii, bezpieczeństwem i zrównoważeniem środowiskowym – staje się coraz bardziej palące. Obecnie na rynku konkuruje kilkanaście różnych technologii baterii. Która z nich okaże się zwycięska? To pytanie warte biliony dolarów.
W najbliższym czasie tradycyjne baterie litowe prawdopodobnie utrzymają swoją dominującą pozycję, a baterie sodowe zaoferują tanią i ekologiczną alternatywę dla niektórych zastosowań, jak wynika z badań platformy analizy AI Focus. Jednak to dopiero pojawiające się baterie grafenowe i dual-ion mogą naprawdę zrewolucjonizować rynek w przyszłości.
Badania sugerują, że baterie grafenowe pojawią się na rynku na początku lub w połowie lat 30. XXI wieku, aby rzucić wyzwanie litowym odpowiednikom w wyścigu o koronę EV, gdy cena produkcji grafenu gwałtownie spadnie. Ten rozwój obiecuje nie tylko znacząco poprawić osiągi pojazdów elektrycznych, ale także przyczynić się do zwiększenia efektywności energetycznej i osiągnięcia celów redukcji emisji dwutlenku węgla. „Jeśli istnieje technologia baterii, na którą warto zwrócić uwagę, to jest to grafen” – mówi Jard van Ingen, dyrektor generalny i współzałożyciel Focus.
Młodzi Pretendenci
Focus analizuje obecny stan technologii baterii do EV i prognozuje, które z nich zdominują rynek w nadchodzących latach. Wykorzystując podejście inspirowane badaniami z Massachusetts Institute of Technology, platforma Focus przetwarza ogromne ilości globalnych danych patentowych w czasie rzeczywistym, używając trzech rodzajów AI: duże modele językowe prowadzą ciągłe badania globalnych archiwów danych patentowych w celu wyszukiwania technologii, oceniania i porównywania; wyszukiwanie wektorowe zapewnia informacje w czasie rzeczywistym o globalnej innowacji i krajobrazie technologicznym; a regresja wielowymiarowa oferuje analizę predykcyjną, identyfikując relacje między danymi a rzeczywistymi wynikami. Focus oblicza „Poziomy Gotowości Technologicznej” dla dojrzałości technologii baterii oraz „Tempo Poprawy Technologii”, aby mierzyć wzrost wydajności na dolar na rok dla różnych technologii baterii.
„W przypadku EV chodzi przede wszystkim o znalezienie idealnego punktu równowagi między gęstością energii, bezpieczeństwem, kosztem i zrównoważeniem” – mówi Kacper Górski, szef operacji Focus. „Każda z tych technologii wnosi coś unikalnego, a ich rozwój ukształtuje przyszłość elektromobilności. Kluczowe pytanie brzmi jednak: które z nich faktycznie rozwijają się szybko, a które są przereklamowane?”
Focus odkrył, że wszystkie technologie baterii litowych poprawiają się w podobnym tempie. Obecnie dominujące technologie, litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe i litowo-żelazowo-fosforanowe, poprawiają się rok do roku (YoY) odpowiednio o 30% i 36%. Baterie litowo-siarkowe poprawiają się o 30% YoY, a anody krzemowe o 32%, co oznacza, że prawdopodobnie nie zrewolucjonizują rynku – technologie naprawdę przełomowe mają tempo poprawy znacznie i konsekwentnie wyższe niż ich konkurenci. Podobnie, chociaż wiele napisano o potencjale stałych baterii litowych, Focus odkrył, że technologia ta poprawia się tylko o 31% YoY, co oznacza, że również nie zrewolucjonizuje obecnych liderów.
To samo dotyczy podobnie przereklamowanych baterii sodowych, które mają tempo poprawy 33% – co mieści się w granicach błędu pomiarowego baterii litowo-żelazowo-fosforanowych. Van Ingen wyjaśnia, że baterie sodowe mają stosunkowo skromną gęstość energii, co ogranicza zasięg, jaki mogą zaoferować pojazdy elektryczne bez zwiększania masy pojazdu. Byłyby jednak sensowne w przypadku stacjonarnego magazynowania energii, gdzie waga nie jest czynnikiem ograniczającym. „Jeśli potrzebujesz stosunkowo tanich baterii do zapotrzebowania sieci, baterie sodowe mają sens” – mówi. „Mogłyby nawet działać w tańszych pojazdach elektrycznych – naprawdę tanich, produkowanych masowo pojazdach przeznaczonych do krótkich dystansów. To stosunkowo szybko rozwijająca się technologia, ale nie zrewolucjonizuje całkowicie rynku.”
Grafenowe Baterie: Prawdziwy Przełom
To niektóre z bardziej obiecujących technologii baterii budzą największe emocje. Baterie magnezowo-siarkowe poprawiają się w tempie 24,4% YoY, baterie magnezowo-jonowe o 26%, baterie nanodrutowe o 35%, a baterie potasowo-jonowe o 36%. Jednak wszystkie te liczby bledną w porównaniu z bateriami grafenowymi, które poprawiają się o oszałamiające 48,8% YoY, lub bateriami dual-ion, które mogą pochwalić się tempem poprawy 48,5% YoY. „Ponieważ tempo poprawy baterii grafenowych i dual-ion jest znacznie i konsekwentnie wyższe niż w przypadku innych technologii baterii, można je uznać za przełomowe” – mówi van Ingen.
Jednak w bezpośrednim starciu między tymi dwiema technologiami Focus uważa, że baterie grafenowe mają większy potencjał, ponieważ badania są bardziej zaawansowane, a pierwiastek bardziej powszechny. Technologia ta oferuje ogromny skok w wydajności pojazdów elektrycznych, obiecując wysoką gęstość energii, zwiększoną żywotność cykliczną (liczba cykli ładowania i rozładowania, które bateria może wykonać przed utratą wydajności) i szybkie ładowanie. Jej główną wadą jest obecnie wysoki koszt, wynikający z zawrotnej ceny produkcji grafenu.
„Grafen to naprawdę podstawowy materiał pochodzący z dowolnego źródła węgla” – mówi van Ingen. „Materiał bazowy jest bardzo obfity, występuje wszędzie, ale ograniczeniem jest sposób, w jaki przekształca się go w grafen. Obecne metody produkcji są zbyt drogie.”
Aby baterie grafenowe zrewolucjonizowały rynek EV, koszt produkcji grafenu musi znacznie spaść. Grafen jest obecnie produkowany w cenie około 200 000 USD za tonę, czyli 200 USD za kilogram (kg). Trudno przewidzieć, jak tania musi być produkcja, zanim producenci zaczną używać go w swoich bateriach, ale Focus uważa, że nastąpi to, gdy grafen stanie się porównywalny z litem.
Węglan litu kosztuje obecnie około 16 USD/kg, a analitycy uważają, że może spaść o kolejne 30% do 11 USD/kg w 2024 roku. Metoda prognozowania Focus szacuje tempo poprawy produkcji grafenu na 36,5% YoY. Zakładając obecną cenę 200 USD/kg i cenę docelową 11 USD/kg, Focus prognozuje, że produkcja grafenu stanie się wystarczająco tania, aby materiał mógł przedostać się do technologii baterii około 2031 roku.
Według Focus, około 300 organizacji pracuje obecnie nad technologią baterii grafenowych. Spośród dziesięciu najlepszych firm najlepiej przygotowanych do zrewolucjonizowania rynku baterii grafenem, Focus ocenia Global Graphene Group jako lidera. Jej spółka zależna, Honeycomb Battery Company, ogłosiła niedawno przełomową umowę połączenia z Nubia Brand International, mającą na celu wzmocnienie możliwości produkcyjnych i badawcze.
Podobnie, StoreDot, jedyny startup w pierwszej dziesiątce, poczynił imponujące postępy w 2023 roku. Firma przygotowuje się do masowej produkcji swoich ogniw bateryjnych „100in5” w 2024 roku. Ogniwa te są zaprojektowane tak, aby zapewnić co najmniej 100 mil zasięgu przy zaledwie pięciu minutach ładowania. StoreDot zawarł strategiczne umowy z takimi firmami jak Volvo Cars (Geely), VinFast i Flex|N|Gate. Na początku 2024 roku współpracował z Polestar, marką Volvo Cars, przy pierwszej na świecie demonstracji 10-minutowego ładowania EV. Jakość jego baterii została potwierdzona po testach przeprowadzonych przez 15 wiodących światowych producentów, które wykazały brak degradacji nawet po 1000 kolejnych cyklach „ekstremalnie szybkiego ładowania”.
Z drugiej strony, Toray Industries zostało uznane przez Focus za najszybciej iterującego gracza (najkrótszy czas cyklu). Firma poczyniła znaczące postępy w badaniach nad bateriami grafenowymi, opracowując ultracienki roztwór dyspersji grafenu o doskonałej płynności oraz przewodności elektrycznej i cieplnej – szczególnie korzystny w zastosowaniach takich jak materiały do baterii i okablowania. Toray jest w ten sposób w stanie wytwarzać bardzo cienki, wysokiej jakości grafen z niedrogich materiałów grafitowych. Technologia ta, jak twierdzi Toray, oferuje o 50% dłuższą żywotność baterii w porównaniu z tradycyjnymi nanorurkami węglowymi stosowanymi jako środki przewodzące.
„Patrząc w przyszłość, największym wąskim gardłem dla baterii grafenowych jest obecnie znalezienie metody produkcji, która naprawdę pozwoli na skalowanie” – podsumowuje van Ingen. „To wciąż dziedzina zdominowana głównie przez badania, ale w ciągu najbliższej dekady katapultuje się do rzeczywistego świata, według Focus.”