Baterie półprzewodnikowe BYD: 6 patentów, podwójny elektrolit i produkcja w 2027 roku

Firma BYD podwaja wysiłki w rozwój baterii półprzewodnikowych (SSB), ze szczególnym naciskiem na wykorzystanie podejścia z podwójnym elektrolitem w katodzie. Firma dąży do zastąpienia tradycyjnych ciekłych elektrolitów poprzez połączenie składników elektrolitu halogenkowego i siarczkowego. To rozwiązanie wyróżnia się na tle strategii rywali, którzy stawiają wyłącznie na elektrolity siarczkowe lub tlenkowe. BYD jako jedyny duży producent celowo łączy dwie odmienne chemie, co może skrócić czas wdrożenia technologii lub, przy niepowodzeniu, opóźnić komercjalizację.

Po tym, jak chiński gigant motoryzacyjny otrzymał pod koniec lipca patent na kompozytowe struktury katodowe od Chińskiej Krajowej Administracji Własności Intelektualnej (CNIPA), serwis libattery.net podaje, że BYD opublikował dodatkowe 6 patentów dotyczących technologii SSB. Łączny pakiet siedmiu zgłoszeń w krótkim czasie pokazuje, że producent traktuje SSB jako priorytet badawczo-rozwojowy, a nie projekt poboczny. Dla porównania, CATL i Toyota ujawniają swoje postępy w podobnym tempie, co potwierdza, że wyścig o pierwsze wdrożenie ogniw półprzewodnikowych wszedł w decydującą fazę.

Wszystkie nowe patenty dotyczą tego samego problemu: zapobiegania słabemu kontaktowi między elektrolitami stałymi a elektrodami lub utrzymywania niezawodnego kontaktu między materiałami stałymi podczas pracy baterii. Patenty obejmują chemię materiałów, produkcję i kontrolę jakości. Taka kategoryzacja wskazuje, że BYD rozwiązuje problem systemowo, od formuły materiału po wskaźniki kontroli w procesie wytwarzania. To istotna różnica w porównaniu z konkurencją, która koncentruje się głównie na laboratoryjnych prototypach bez równoległego opracowywania metod zapewnienia jakości na skalę przemysłową.

Podwójne stawki na podwójne elektrolity

Serwis CarNewsChina wcześniej informował o patencie BYD na kompozytowe materiały katodowe (numer publikacji CN122474592A). Patent opisuje zastosowanie elektrolitów halogenkowych o małych cząsteczkach i elektrolitów siarczkowych o dużych cząsteczkach, łącząc je z aktywnym materiałem katodowym w celu utworzenia kompozytowej elektrody. Logika tego rozwiązania opiera się na uzupełnianiu właściwości: halogenki zapewniają wysoką stabilność elektrochemiczną w wysokich napięciach, a siarczki wyróżniają się wysokim przewodnictwem jonowym w temperaturze pokojowej. Połączenie obu grup w jednej katodzie pozwala ominąć kompromis, który zmusza konkurencyjne firmy do wyboru jednej z tych zalet.

Wśród nowych patentów BYD cztery dotyczą chemii materiałów. CN122494747A kontynuuje podejście halogenkowo-siarczkowe, ale proponuje dodanie jonoprzewodzącej, elektrochemicznie stabilnej warstwy pośredniej między tymi dwoma materiałami. Zapobiega to bezpośredniemu kontaktowi i unika niepożądanych reakcji chemicznych, zwiększając żywotność cykliczną. Warstwa pośrednia pełni funkcję bariery dyfuzyjnej, która eliminuje powstawanie produktów ubocznych na granicy faz. Takie rozwiązanie może być kluczowe dla utrzymania pojemności przez setki cykli, co stanowi główną słabość większości ogniw SSB opisywanych w literaturze.

CN122494554A proponuje zastosowanie pierwszego elektrolitu stałego jako warstwy buforowej, umieszczając go między aktywnym materiałem katodowym a drugim elektrolitem siarczkowym, aby zapobiec bezpośredniemu kontaktowi. Ma również na celu uniknięcie niekontrolowanego wzrostu temperatury i sugeruje, że aktywna warstwa katodowa nie powinna uwalniać termicznie więcej niż 117 dżuli/gram. Ten parametr ilościowy stanowi rzadko spotykany w patentach konkurencji wskaźnik bezpieczeństwa. Konserwatywny limit 117 dżuli/gram jest wartością niższą niż typowe wartości dla katod bogatych w nikiel, co oznacza, że BYD świadomie ogranicza gęstość energii na rzecz stabilności termicznej. Takie podejście może wydłużyć czas prac nad ogniwem, ale minimalizuje ryzyko awarii podczas testów pojazdowych.

CN122494567A rozwija koncepcję aktywnej katody i proponuje dwuwarstwową strukturę kompozytową. Warstwa wewnętrzna miesza monokrystaliczny materiał katodowy z elektrolitem stałym, podczas gdy warstwa zewnętrzna łączy polikrystaliczny materiał katodowy z elektrolitem stałym o innym składzie. Taka architektura wykorzystuje różnice we właściwościach mechanicznych obu form krystalicznych. Warstwa wewnętrzna zapewnia stabilność strukturalną, a zewnętrzna maksymalizuje powierzchnię kontaktu z elektrolitem, co przekłada się na lepsze wykorzystanie materiału aktywnego w całej objętości elektrody.

Materiały monokrystaliczne są odporne na pękanie podczas cykli ładowania i rozładowania. Materiały polikrystaliczne oferują lepszą wydajność szybkościową ze względu na dużą powierzchnię, ale są bardziej podatne na pękanie wzdłuż granic ziaren podczas pracy. W ogniwach z ciekłym elektrolitem pęknięcia są częściowo zalewane przez elektrolit, co maskuje degradację. W układzie całkowicie stałym każde pęknięcie trwale odcina część materiału aktywnego od transportu jonów, stąd tak duże znaczenie struktury krystalicznej w projektowaniu elektrod SSB.

Wydajność szybkościowa odnosi się do tego, jak dobrze bateria utrzymuje swoją pojemność przy dużych obciążeniach ładowania i rozładowania. Patent twierdzi, że to podejście wykorzystuje zarówno monokryształy, jak i polikryształy, jednocześnie niwelując ich odpowiednie słabości. Dwuwarstwowa architektura pozwala na zastosowanie monokryształów w strefie najbardziej narażonej na naprężenia mechaniczne, a polikryształów w strefie odpowiedzialnej za szybkie przewodnictwo. Takie rozmieszczenie funkcji jest trudne do odtworzenia w konwencjonalnych elektrodach kompozytowych, co daje BYD przewagę w zakresie know-how produkcyjnego.

Wreszcie, CN122494558A opisuje podejście z trzema materiałami dla aktywnej katody. Tlenki metali i siarczki metali są najpierw poddawane obróbce litem, a następnie mieszane z elektrolitem stałym. Patent twierdzi, że mieszanka materiałów zmniejsza opór elektryczny na granicy ciało stałe-ciało stałe, podnosi wydajność szybkościową, zwiększa pojemność właściwą i wydłuża żywotność cykliczną. Prelitacja obu składników redukuje straty pojemności podczas pierwszego ładowania, które w przypadku elektrolitów stałych bywają większe niż w ogniwach z ciekłym elektrolitem. Wstępne wprowadzenie litu do struktury tlenków i siarczków kompensuje nieodwracalne reakcje powierzchniowe, podnosząc rzeczywistą pojemność ogniwa od pierwszego cyklu.

Małe kroki w kierunku komercjalizacji

Powyższe patenty koncentrują się na chemii i strukturze i nie dają zbyt wiele wglądu w postęp w kierunku gotowości produkcyjnej. Pozostałe dwa patenty ujawniają jednak szczegóły dotyczące prac BYD nad tym celem. To przesunięcie akcentu z materiału na proces pokazuje, że BYD planuje wdrożenie SSB w swoich zakładach, a nie tylko publikację wyników badawczych. Konkurencja, w tym Samsung SDI i Solid Power, również raportuje postępy w skalowaniu, ale żaden z tych producentów nie połączył dotąd w jednym zgłoszeniu chemii, procesu i kontroli jakości w tak kompleksowy sposób.

CN122494552A dotyczy zastosowania cieczy jonowych jako środków zwilżających w warstwie aktywnej elektrody. Stosuje się dystrybucję gradientową, przy czym zewnętrzne obszary elektrody otrzymują więcej środka niż centralne strefy wewnętrzne. Patent twierdzi, że poprawia to kontakt między ciałami stałymi, zapobiega komplikacjom spowodowanym słabym transportem jonów i zwiększa żywotność cykliczną. Ciecze jonowe w niewielkiej ilości nie zmieniają zasadniczego charakteru ogniwa jako układu półprzewodnikowego, ale niwelują mikroszczeliny powstające podczas prasowania elektrod. Gradientowe rozmieszczenie środka zwilżającego oznacza, że największe opory transportu jonów występują przy kolektorze prądu, a nie w głębi elektrody, co przeczy intuicyjnemu podejściu stosowanemu w konwencjonalnych ogniwach z elektrolitem ciekłym.

Jeśli chodzi o CN122494553A, proponuje on wskaźnik kontroli jakości, nazwany Re, dla współczynnika kontaktu między cząsteczkami katody i elektrolitu. Patent twierdzi, że co najmniej 60% obwodu cząsteczki katody powinno pozostawać w kontakcie z cząsteczkami elektrolitu. Ponownie, wskaźnik ten ma poprawiać wydajność szybkościową, pojemność właściwą i żywotność cykliczną. Wprowadzenie mierzalnego progu kontroli jakości to sygnał, że BYD przygotowuje linię produkcyjną zdolną do weryfikacji każdej partii elektrod. Branża SSB od lat boryka się z problemem powtarzalności wyników między laboratoriami, a standaryzowany wskaźnik Re może stać się punktem odniesienia dla całego sektora, podobnie jak wskaźnik gęstości upakowania elektrod w ogniwach litowo-jonowych.

Ten wskaźnik współczynnika kontaktu jest zgodny z obecnymi badaniami nad SSB. CarNewsChina wcześniej informował o badaniach przeprowadzonych przez Instytut Fizyki Chińskiej Akademii Nauk, w których profesor Wu Fan stwierdził, że mniejsze cząsteczki siarczku w elektrolitie poprawiły utrzymanie pojemności o prawie 18 punktów procentowych. Mniejsze cząsteczki elektrolitu pozwoliłyby, aby więcej ich przylegało do konkretnej cząsteczki katody, zwiększając współczynnik kontaktu i wskaźnik Re zaproponowany przez BYD. Zbieżność wyników badań akademickich i parametrów patentowych wzmacnia wiarygodność technicznego kierunku obranego przez chińskiego producenta.

Kiedy SSB faktycznie trafią na rynek?

Oprócz zgłoszeń patentowych, serwis libattery.net podaje również, że BYD dąży do rozpoczęcia produkcji na małą skalę swoich ogniw SSB z podwójnym elektrolitem w katodzie w 2027 roku. Te prototypowe ogniwa zostaną najpierw poddane ocenie w zamaskowanych pojazdach testowych. Ten termin sytuuje BYD w tym samym oknie czasowym co Toyotę, która zapowiadała wdrożenie SSB w 2027 roku, oraz Samsung SDI, planującego pilotażową linię na ten sam rok. Strategia BYD zakłada uniknięcie błędu konkurentów, którzy ogłaszali daty komercyjnego debiutu bez wcześniejszej walidacji w rzeczywistych warunkach drogowych. Testy w zamaskowanych prototypach pozwolą zebrać dane o degradacji ogniw w zmiennych temperaturach i przy różnym stylu jazdy, zanim technologia trafi do sprzedaży.

Nawet rywale BYD studzą entuzjazm wokół szybkiego wdrożenia SSB w samochodach elektrycznych dla konsumentów. Prezes CATL dokonał weryfikacji rzeczywistości w czerwcu 2025 roku, twierdząc, że ograniczenia inżynieryjne i produkcyjne oznaczają, że masowe przyjęcie SSB pozostaje „odległe o lata". Ten sceptycyzm ze strony lidera rynku baterii ma uzasadnienie w kosztach. Obecne elektrolity siarczkowe wymagają materiałów o wysokiej czystości, których produkcja jest energochłonna, a ogniwa SSB potrzebują prasowania pod wysokim ciśnieniem, co ogranicza wydajność linii produkcyjnych. CATL, produkując głównie ogniwa LFP i NMC w ciekłym elektrolicie, ma mniejszą motywację do przyspieszenia transformacji, która wymagałaby wymiany setek linii produkcyjnych na całym świecie.

W porównaniu z tradycyjnymi ogniwami, SSB oferują wyższą gęstość energii i wydajność ładowania i rozładowania, a ich stałe elektrolity zapewniają większe bezpieczeństwo, zmniejszając ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury. Ich obietnica większej ilości „baterii" przy tej samej wadze często prowadzi do twierdzeń o przyszłych pojazdach elektrycznych o zasięgu 1500, a nawet 2000 km. Eliminacja ciekłego elektrolitu, który jest palny i podatny na wycieki, zmienia również architekturę pakietów baterii. Producenci będą mogli zrezygnować z ciężkich obudów ochronnych i systemów chłodzenia projektowanych pod kątem rozpraszania ciepła z ogniw ciekłych, co dodatkowo zmniejszy masę pojazdu i zwiększy efektywność energetyczną całego układu napędowego.

Jest jednak oczywiste, że przed ostatecznym wejściem SSB w światło reflektorów pozostaje wiele przeszkód natury formulicznej, technicznej i praktycznej. Kontakt na granicy ciało stałe-ciało stałe pogarsza się wraz z objętościowymi zmianami materiałów katodowych podczas pracy, a produkcja elektrolitów siarczkowych na skalę przemysłową wiąże się z ryzykiem emisji siarkowodoru. Strategia BYD, oparta na podwójnym elektrolicie i równoległym opracowaniu wskaźników kontroli jakości, ogranicza te ryzyka, ale nie eliminuje ich całkowicie. Wiodąca pozycja BYD na rynku pojazdów elektrycznych, wsparta pionową integracją od kopalni po ogniwa, daje firmie unikalną przewagę w testowaniu SSB we własnych modelach. Rynek powinien przyjąć deklarację z 2027 roku z ostrożnością, pamiętając, że producenci często przesuwają terminy wdrożeń rewolucyjnych technologii. Jednak sposób, w jaki BYD buduje swój pakiet patentowy, wskazuje na bardziej zaawansowany etap prac, niż sugerują oficjalne komunikaty.