Электрическая революция. Как твердотельные аккумуляторы меняют автомобильную индустрию

Несмотря на массовость использования, у литий-ионных аккумуляторов есть несколько фундаментальных недостатков. В частности, относительно большая масса и размеры (следовательно, низкая энергоэффективность), а также риск воспламенения при высоких температурах.

А еще есть проблема с нелегальной добычей лития и кобальта, из-за которой Илон Маск планировал отказаться от использования этих материалов в своих электрокарах.

Альтернативой литий-ионным аккумуляторам могут стать АКБ с твердыми электролитами или так называемые твердотельные батареи. В качестве электролита в этих аккумуляторах используют керамику, стекло, сульфиды и другие материалы.

Некоторые экспериментальные устройства доказали, что плотность энергии твердотельных батарей может быть как минимум на 50% выше, чем у АКБ с жидкими электролитами. Кроме этого, твердые электролиты позволяют заряжать батарею в разы быстрее.

Среди минусов этой технологии — высокая стоимость разработки и производства, так как подобные системы на данном этапе считаются лишь перспективными. Твердотельные АКБ также могут терять эффективность при низких температурах и быстро изнашиваться после частых циклов зарядки.

Что такое Solid Power?

Дословно «Твердая Энергия» — это американская из Колорадо, которая с 2011-го развивает технологии для твердотельных аккумуляторов.

Чуть более чем за 10 лет компания достигла финансового успеха, начала продавать свои акции и производить новые типы АКБ. Правда, не без помощи государственного финансирования.

Недавно в Solid Power запустили пилотную производственную линию и заявили о производстве около 15 тыс. твердых аккумуляторов в год. По словам генерального директора компании Дага Кэмпбелла, к концу года планируются первые поставки их продукции нескольким автопроизводителям, включая BMW и Ford, для дальнейших испытаний.

Когда и если эти испытания пройдут успешно — Solid Power планирует передать права на производство своих АКБ южнокорейскому энергетическому гиганту SK Innovation.

В Solid Power называют свою технологию «уникальной твердотельной конструкцей», которая может быть внедрена в производственный процесс литий-ионных аккумуляторов. Специалисты потратили годы на поиск подходящего материала, выбирая между разными вариантами хрупкой керамики и пластичными полимерами.

Компания также планирует заменить анод из графита, который обычно используется в твердотельных АКБ, на кремний. Таким образом представители Solid Power смогли решить одну из главных проблем литий-ионных АКБ, а именно — образовании дендритов.

Дендриты — это разветвленные металлические кристалы, которые образуются между электродами и могут вызывать короткое замыкание батареи, что, с свою очередь, приводит к ее возгоранию. Замена литиевого анода на кремниевый привела к увеличению веса батареи, но устройство по-прежнему имеет в разы большую энергоэффективность, что литий-ионные АКБ.

Важно, что у Solid State есть принципиальный конкурент — калифорнийская компания QuantumScape, которая была основана на год раньше. В мае акции этой компании значительно провалились из-за провального финансового отчета за квартал.

Стоимость QuantumScape оценивают в $5 млрд, и идея компании заключается в создании собственных заводов по производству запатеннованных керамических проводников и литиевой конструкции.

Кто уже использует твердотельные АКБ?

Ровно два года назад в Toyota анонсировали разработку твердотельного аккумулятора, который можно будет полностью зарядить всего за 15 минут. Производство электрокаров с этой батареей должны были начать в 2025-м.

В качестве электролита компания планировала использовать серу, которая переносит ионы лития между отрицательно и положительно заряженными электродами. Японцы обещали высокую удельную плотность энергии, запас хода, длительный срок эксплуатации, безопасность и возможность эксплуатации в экстремальных температурах.

Инженеры предлагали форм-фактор АКБ с ячейками в форме небольших пластин, которые изолированы в специальных мешочках и собраны в отдельные модули. Эти ячейки должны сохраняться в специальных условиях влажности воздуха.

В конце 2020-го в Toyota подтвердили разработку новой твердотельной батареи вместе с японской компанией Panasonic, которая также поставляет литий-ионные АКБ для Tesla.

Напомним, компания Toyota не выпускает BEV со времен выхода кроссовера RAV4 EV в начале 2000-х и его новой версии в начале 2010-х. Сейчас в приоритете производителя разработка гибридных технологий и водородных топливных элементов.

Кроме Toyota, о разработке электрокаров с твердотельными батареями заявляли Bentley, Ford и Volskwagen.

В марте 2022-го южнокорейский технологический гигант Samsung SDI, объявила о начале строительства экспериментальной производственной линии твердотельных аккумуляторов. Компания также является одним из ведущих производителей литий-ионных АКБ для электромобилей.

Литий-ионные АКБ обречены?

Будучи ныне самым массовым решением для электрокаров, литий-ионные АКБ также значительно совершенствуются и с каждым годом предлагают более высокую эффективность.

Например, недавно ученые из Мичиганского университета предложили использовать переработанный кевлар в литий-серных АКБ. Химики пропитывали так называемые арамидные нановолокона электролитным гелем для предотвращения распространения дендритов.

Новые арамидные нановолокна также позволили увеличить емкость и срок эксплуатации аккумуляторов за счет беспрепятственного движения заряженных ионов.

Ведущий автор исследования, химик-инженер Николас Котов из Университета Ирвинга Ленгмюр заявил, что конструкция новой батареи «почти идеальна», поскольку она может выдерживать экстремальные температуры, — от летней жары до зимних морозов.

Ученые оценили реальный срок службы своей АКБ примерно в 1000 циклов зарядки-разрядки, а запасе хода в 2000 км. «Достижение рекордных показателей сразу по нескольким направлениям — это то, что ейчас необходимо для автомобильных аккумуляторов. Это чем-то похоже на гимнастику на Олимпиаде — нужно быть идеальным во всем, включая устойчивость производства», — заявил Котов.

Преимуществом литий-серных аккумуляторов является и более простая добыча серый, по сравнунию с кобальтом. А арамидные волокна, которые нужны для стабилизации работы АКБ, можно перерабатывать их старых бронежилетов.

Пару лет назад исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего также открыли новое состояние лития, которое может позволить создать более эффективные и долговечные аккумуляторы для электрокаров.

Речь шла о некристаллическим стекловидном литие, который позволяет стабилизировать электрический заряд и снизить уровень деградации литиевых АКБ. Проблема заключалась лишь в сложности производства стекловидной металлической структуры.

Авторы открытия предполагали, что эти аморфные активные металлы позволят совершить прорыв в различных отраслях, включая биомедицину, нанотехнологии и микроэлектромеханические системы.