Akumulatory solid-state, czyli akumulatory ze stałym elektrolitem, uchodzą za przełomową technologię, która może zrewolucjonizować elektromobilność w nadchodzących latach. Ich konstrukcja różni się zasadniczo od klasycznych baterii litowo-jonowych, w których nośnikiem jonów jest ciekły elektrolit. W wersji solid-state zastępuje się go stałym materiałem przewodzącym jony – ceramicznym, szklanym, polimerowym lub kompozytowym – co pozwala wyeliminować wiele problemów znanych z obecnych rozwiązań. Trwający wyścig technologiczny między koncernami motoryzacyjnymi i firmami specjalizującymi się w akumulatorach przynosi szereg innowacji, które sukcesywnie przybliżają tę technologię do zastosowania komercyjnego.
Jedną z największych innowacji w akumulatorach solid-state jest zastosowanie metalicznego litu jako anody. W klasycznych ogniwach stosuje się zazwyczaj grafit, który jest bezpieczny, ale ma ograniczoną pojemność właściwą. Metaliczny lit pozwala znacząco zwiększyć gęstość energii – nawet o pięćdziesiąt do stu procent – przy zachowaniu podobnych lub mniejszych wymiarów ogniwa. Kluczem do sukcesu jest tutaj stabilność kontaktu litu ze stałym elektrolitem oraz kontrola powstawania dendrytów, czyli struktur mogących prowadzić do zwarć. Innowacyjne materiały elektrolitowe, takie jak siarczki, tlenki czy polimery usieciowane, skutecznie ograniczają to zjawisko.
Równolegle trwają prace nad nowymi typami stałych elektrolitów, które mają być nie tylko bardziej przewodzące, ale też elastyczne i stabilne chemicznie. Część zespołów badawczych skupia się na elektrolitach ceramicznych, które zapewniają wysoką przewodność jonową, ale są kruche i wymagają precyzyjnego dopasowania warstw. Inne ośrodki rozwijają elektrolity polimerowe, które są bardziej plastyczne, łatwiejsze w produkcji i lepiej znoszą zmiany objętości w trakcie cykli ładowania, co przekłada się na dłuższą żywotność ogniw.
Kolejną innowacją jest integracja elektrody i elektrolitu w jedną strukturę wielowarstwową, co nie tylko zmniejsza masę i objętość baterii, ale też poprawia wymianę jonów i przewodność cieplną. Tego typu konstrukcje pozwalają także lepiej kontrolować procesy starzenia się ogniwa oraz zapobiegają jego rozwarstwianiu się w trakcie eksploatacji. To rozwiązanie szczególnie przydatne w bateriach przeznaczonych do pracy w szerokim zakresie temperatur – np. w pojazdach użytkowych lub sportowych.
Duży postęp dokonuje się także w zakresie technologii produkcji solid-state, która początkowo była bardzo kosztowna i trudna do skalowania. Nowoczesne metody nanoszenia warstw stałego elektrolitu – np. techniki druku cienkowarstwowego, spiekania laserowego czy laminowania na zimno – pozwalają na zwiększenie wydajności linii produkcyjnych i redukcję kosztów jednostkowych. Jednocześnie wprowadzane są rozwiązania umożliwiające automatyczną kontrolę jakości w czasie rzeczywistym, co ma kluczowe znaczenie dla seryjnej produkcji akumulatorów do pojazdów elektrycznych.
Na etapie projektowania całych pakietów baterii solid-state pojawiają się również nowe pomysły na integrację ogniw z konstrukcją nośną pojazdu, czyli tzw. structural battery packs. Dzięki większemu bezpieczeństwu ogniw solid-state – które nie zawierają łatwopalnych cieczy – możliwe jest bardziej swobodne rozmieszczanie ich w podwoziu, ściankach bocznych czy dachu, co prowadzi do lepszego rozkładu masy, większej sztywności karoserii i redukcji masy całkowitej pojazdu.
Warto też wspomnieć o innowacjach w zakresie szybkiego ładowania i odporności na temperatury. Solid-state są mniej podatne na przegrzewanie, mogą pracować w szerszym zakresie temperatur bez konieczności intensywnego chłodzenia i teoretycznie lepiej znoszą ładowanie dużym prądem. Dzięki temu w przyszłości pojazdy z tą technologią mogą ładować się znacznie szybciej – nawet w kilka minut – bez ryzyka przyspieszonej degradacji.
Podsumowując, innowacje w konstrukcji akumulatorów solid-state obejmują nowoczesne materiały anody i elektrolitu, integrację funkcji w jednej warstwie, zaawansowane procesy produkcyjne oraz nowe formy integracji z konstrukcją pojazdu. Choć technologia wciąż znajduje się na etapie intensywnych testów i prototypów, to jej potencjał do zwiększenia zasięgu, bezpieczeństwa, szybkości ładowania i trwałości baterii sprawia, że uchodzi za kluczowy kierunek rozwoju elektromobilności w nadchodzącej dekadzie. Pierwsze komercyjne pojazdy z ogniwami solid-state mogą pojawić się na rynku już w drugiej połowie obecnej dekady, zapoczątkowując nową generację samochodów elektrycznych.
