Ανεξάρτητες δοκιμές σε υψηλές θερμοκρασίες υποδηλώνουν ότι η λεγόμενη Donut Battery δεν αντέχει απλώς την ακραία ζέστη, αλλά βελτιώνει και την απόδοσή της - ξαναγράφοντας τους κανόνες για την ασφάλεια και την απόδοση των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων.

Η Φινλανδική εταιρεία τεχνολογίας Donut Lab δημοσίευσε νέα ανεξάρτητα δεδομένα δοκιμών για τη λεγόμενη Donut Battery, με τον βασικό ισχυρισμό ότι το στοιχείο στερεάς κατάστασης όχι μόνο επιβιώνει σε ακραίες θερμοκρασίες, αλλά αποδίδει καλύτερα.

Σύμφωνα με δημοσίευμα στην ιστοσελίδα Visordown, η εταιρεία Donut Lab η οποία προμηθεύει τις μπαταρίες, τους κινητήρες και τα συστήματα ελέγχου στις ηλεκτρικές μοτοσυκλέτες Verge, πραγματοποίησε δοκιμές στο VTT Technical Research Centre of Finland υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, με έμφαση στην απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό είναι κρίσιμο, καθώς η θερμότητα αποτελεί την «αχίλλειο πτέρνα» των συμβατικών μπαταριών ιόντων λιθίου.

Όποιος παρακολουθεί την εξέλιξη των των ηλεκτρικών οχημάτων αλλά και τη χρήση τους σε υβριδικά οχήματα, γνωρίζει το πρόβλημα των παραδοσιακών μπαταριών ιόντων λιθίου. Όταν καταπονούνται έντονα - είτε λόγω ταχείας φόρτισης, παρατεταμένου υψηλού φορτίου, ζεστού καιρού ή γρήγορης οδήγησης - η θερμοκρασία ανεβαίνει. Πάνω από περίπου 60–70°C, η φθορά επιταχύνεται. Η εσωτερική αντίσταση αυξάνεται, η χωρητικότητα μειώνεται και, στη χειρότερη περίπτωση, υπάρχει κίνδυνος θερμικής διαφυγής (thermal runaway), που μπορεί να οδηγήσει σε ταχεία υπερθέρμανση, πιθανή έκρηξη ή φωτιά και απαιτεί εξειδικευμένη ανίχνευση και πρόληψη.

Γι’ αυτό τα σύγχρονα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και μοτοσυκλέτες διαθέτουν εξελιγμένα συστήματα ψύξης, λογισμικό θερμικής διαχείρισης και περιθώρια ασφαλείας. Η θερμότητα δεν μειώνει μόνο την απόδοση, περιορίζει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και αυξάνει τους κινδύνους ασφαλείας καθώς τα προβλήματα αυξάνονται και η κατάσταση της μπαταρίας χειροτερεύει.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, θεωρητικά, αλλάζουν τα δεδομένα, αντικαθιστώντας τον εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη με στερεό υλικό. Έτσι μειώνεται ο κίνδυνος πυρκαγιάς και αυξάνεται η θερμική σταθερότητα. Η υπόσχεση ήταν πάντα μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, καλύτερη ασφάλεια και βελτιωμένη ανθεκτικότητα. Το βασικό εμπόδιο μέχρι σήμερα ήταν η μαζική παραγωγή σε πραγματικές συνθήκες. Η Donut Lab υποστηρίζει ότι έχει ήδη ξεπεράσει αυτό το στάδιο.

Η δοκιμή του VTT ήταν σχετικά απλή: χρησιμοποιήθηκε ένα μόνο στοιχείο Donut Battery, τοποθετημένο σε προφίλ αλουμινίου με χαλύβδινη πλάκα που ασκούσε ελαφρά πίεση για αποφυγή θερμών σημείων. Η χωρητικότητα μετρήθηκε σε προοδευτικά υψηλότερες θερμοκρασίες.

Η βάση σύγκρισης ορίστηκε σε θερμοκρασία δωματίου με εκφόρτιση 1C έως 2.7 βολτ και επαναφόρτιση στα 4.15 βολτ. Στη συνέχεια, η θερμοκρασία του θαλάμου αυξήθηκε στους 80°C και η ίδια δοκιμή με εκφόρτιση 1C της χωρητικότητάς της επαναλήφθηκε. Κατόπιν, η θερμοκρασία έφτασε τους 100°C, αυτή τη φορά με ρυθμό εκφόρτισης 0,5C. Τέλος, το στοιχείο ψύχθηκε ξανά στους 20°C και επαναφορτίστηκε ώστε να επιβεβαιωθεί ότι διατηρούσε την αρχική του χωρητικότητα.

Σύμφωνα με την ανακοίνωση της Donut Lab, στους 80°C το στοιχείο απέδωσε έως και το 110% της ονομαστικής του χωρητικότητας σε θερμοκρασία δωματίου και μάλιστα με μεγαλύτερη απόδοση. Στους 100°C έφτασε περίπου το 107% της ονομαστικής χωρητικότητας. Θεωρητικά αυτό ακούγεται αντιφατικό - οι μπαταρίες δεν «κερδίζουν» χωρητικότητα όταν θερμαίνονται. Η εξήγηση βρίσκεται στην εσωτερική αντίσταση: όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η αντίσταση μειώνεται, περιορίζοντας την πτώση τάσης υπό φορτίο. Μικρότερη πτώση τάσης κατά την εκφόρτιση σημαίνει περισσότερη αξιοποιήσιμη ενέργεια πριν επιτευχθεί το κατώτατο όριο τάσης. Πρακτικά, η μπαταρία μπορεί να αξιοποιήσει μεγαλύτερο μέρος της ήδη διαθέσιμης ενέργειας.

Σημαντικό είναι ότι το στοιχείο δεν παρουσίασε λειτουργική υποβάθμιση όταν επέστρεψε σε θερμοκρασία δωματίου. Επαναφορτίστηκε στα 4.15 βολτ και διατήρησε την ίδια χωρητικότητα όπως πριν από την έκθεση στη θερμότητα. Ακόμη και στους 100°C, όπου το εξωτερικό περίβλημα φέρεται να έχασε το κενό του, τα ενεργά υλικά παρέμειναν πλήρως λειτουργικά.

Αν αυτά τα αποτελέσματα μεταφερθούν από το επίπεδο του μεμονωμένου στοιχείου σε πλήρες πακέτο παραγωγής, οι επιπτώσεις θα είναι σημαντικές - ειδικά για ηλεκτρικά οχήματα υψηλών επιδόσεων και ηλεκτρικές μοτοσυκλέτες.

Η οδήγηση με υψηλό φορτίο - όπως παρατεταμένες ταχύτητες αυτοκινητοδρόμου, χρήση πίστας ή έντονες επιταχύνσεις - παράγει θερμότητα. Οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου πρέπει να τη διαχειρίζονται προσεκτικά. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει, τα συστήματα διαχείρισης μπαταρίας μειώνουν την ισχύ για να προστατεύσουν τα στοιχεία. Γι’ αυτό ορισμένα ηλεκτρικά οχήματα επιδόσεων μειώνουν διακριτικά την απόδοση μετά από επαναλαμβανόμενες δυνατές εκκινήσεις.

Ειδικά για τις ηλεκτρικές μοτοσυκλέτες, ο όγκος και το βάρος είναι καθοριστικοί παράγοντες. Μια μπαταρία που αντέχει τη θερμότητα χωρίς περίπλοκα συστήματα ψύξης θα μπορούσε να σημαίνει ελαφρύτερα οχήματα, απλούστερη αρχιτεκτονική και ενδεχομένως καλύτερες επιδόσεις.

Αξίζει, ωστόσο, να διατηρηθεί μια ρεαλιστική οπτική: πρόκειται ακόμη για δοκιμές σε επίπεδο στοιχείου και όχι για πλήρες πακέτο οχήματος που αντέχει χιλιάδες κύκλους σε πραγματικές συνθήκες. Δεδομένα μακροχρόνιας αντοχής, δοκιμές ταχείας φόρτισης, ανθεκτικότητα σε σύγκρουση και δυνατότητα μαζικής παραγωγής είναι εμπόδια που έχουν ανακόψει πολλές προσπάθειες στερεάς κατάστασης στο παρελθόν.

Επιπλέον, παρότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες μπορούν προσωρινά να μειώσουν την εσωτερική αντίσταση, η μακροχρόνια έκθεση σε ακραία θερμότητα συνήθως επιταχύνει τα προβλήματα αλλάζοντας τις ιδιότητες από τις περισσότερες χημικές ενώσεις των μπαταριών. Το κρίσιμο ερώτημα είναι πώς θα συμπεριφερθεί αυτό το στοιχείο μετά από εκατοντάδες ή χιλιάδες κύκλους σε υψηλές θερμοκρασίες.

Προς το παρόν, πρόκειται για ενθαρρυντικά εργαστηριακά δεδομένα. Το επόμενο βήμα είναι να αποδειχθεί αν η μπαταρία της Donut μπορεί να περάσει σε πραγματική παραγωγή και να προσφέρει την ίδια ανθεκτικότητα όταν τοποθετηθεί σε ένα όχημα που χρησιμοποιείται εντατικά σε πολλές και διαφορετικές συνθήκες.