Електрична революція. Як твердотілі акумулятори змінюють автомобільну індустрію

Незважаючи на масовість використання, літій-іонні акумулятори мають кілька фундаментальних недоліків. Зокрема, порівняно велика маса та розміри (отже, низька енергоефективність), і навіть ризик займання при високих температурах.

А ще є проблема з нелегальним видобутком літію та кобальту, через яку Ілон Маск планував відмовитися від використання цих матеріалів у своїх електрокарах.

Альтернативою літій-іонним акумуляторам можуть стати АКБ із твердими електролітами або так звані твердотільні батареї. Як електроліт у цих акумуляторах використовують кераміку, скло, сульфіди та інші матеріали.

Деякі експериментальні пристрої довели, що щільність енергії твердотільних батарей може бути як мінімум на 50% вищою, ніж у АКБ з рідкими електролітами. Крім того, тверді електроліти дозволяють заряджати батарею в рази швидше.

Серед мінусів цієї технології — висока вартість розробки та виробництва, оскільки подібні системи на цьому етапі вважаються лише перспективними. Твердотільні АКБ можуть втрачати ефективність при низьких температурах і швидко зношуватися після частих циклів зарядки.

Що таке Solid Power?

Дослівно «Тверда Енергія» — це американська з Колорадо, яка з 2011-го розвиває технології для твердотільних акумуляторів.

Трохи більш ніж за 10 років компанія досягла фінансового успіху, почала продавати свої акції та виробляти нові типи АКБ. Щоправда, не без допомоги державного фінансування.

Нещодавно в Solid Power запустили пілотну виробничу лінію та заявили про виробництво близько 15 тис. твердих акумуляторів на рік. За словами генерального директора компанії Дага Кемпбелла, до кінця року плануються перші поставки їхньої продукції декільком автовиробникам, зокрема BMW і Ford, для подальших випробувань.

Коли і якщо ці випробування пройдуть успішно, Solid Power планує передати права на виробництво своїх АКБ південнокорейському енергетичному гіганту SK Innovation.

У Solid Power називають свою технологію «унікальної твердотільної конструкції», яка може бути впроваджена у виробничий процес літій-іонних акумуляторів. Фахівці витратили роки на пошук відповідного матеріалу, вибираючи між різними варіантами тендітної кераміки та пластичними полімерами.

Компанія також планує замінити анод з графіту, який зазвичай використовується в твердотільних АКБ, на кремній. Таким чином, представники Solid Power змогли вирішити одну з головних проблем літій-іонних АКБ, а саме — утворення дендритів.

Дендрити — це розгалужені металеві кристали, які утворюються між електродами і можуть викликати коротке замикання батареї, що, своєю чергою, призводить до її займання. Заміна літієвого анода на кремнієвий призвела до збільшення ваги батареї, але пристрій, як і раніше, має в рази більшу енергоефективність, що літій-іонні АКБ.

Важливо, що Solid State має принциповий конкурент — каліфорнійська компанія QuantumScape, яка була заснована на рік раніше. У травні акції цієї компанії значно провалилися через провальний фінансовий звіт за квартал.

Вартість QuantumScape оцінюють у $5 млрд, і ідея компанії полягає у створенні власних заводів з виробництва запатенованих керамічних провідників та літієвої конструкції.

Хто вже використовує твердотілі АКБ?

Рівно два роки тому Toyota анонсували розробку твердотільного акумулятора, який можна буде повністю зарядити всього за 15 хвилин. Виробництво електрокарів із цією батареєю мали розпочати 2025-го.

Як електроліт компанія планувала використовувати сірку, яка переносить іони літію між негативно і позитивно зарядженими електродами. Японці обіцяли високу питому щільність енергії, запас ходу, тривалий термін експлуатації, безпеку та можливість експлуатації в екстремальних температурах.

Інженери пропонували форм-фактор АКБ із осередками у формі невеликих пластин, які ізольовані у спеціальних мішечках та зібрані в окремі модулі. Ці осередки повинні зберігатися у спеціальних умовах вологості повітря.

Наприкінці 2020-го в Toyota підтвердили розробку нової твердотільної батареї разом з японською компанією Panasonic, яка також постачає літій-іонні АКБ для Tesla.

Нагадаємо, компанія Toyota не випускає BEV з часів виходу кросовера RAV4 EV на початку 2000-х та його нової версії на початку 2010-х. Зараз у пріоритеті виробника розробка гібридних технологій і водневих паливних елементів.

Окрім Toyota, про розробку електрокарів із твердотілими батареями заявляли Bentley, Ford та Volskwagen.

У березні 2022-го південнокорейський технологічний гігант Samsung SDI оголосив про початок будівництва експериментальної виробничої лінії твердотільних акумуляторів. Компанія також є одним із провідних виробників літій-іонних АКБ для електромобілів.

Літій-іонні АКБ приречені?

Будучи нині наймасовішим рішенням для електрокарів, літій-іонні АКБ також значно удосконалюються та з кожним роком пропонують більш високу ефективність.

Наприклад, нещодавно вчені з університету Мічигану запропонували використовувати перероблений кевлар у літій-сірчаних АКБ. Хіміки просочували так звані арамідні нановолокна електролітним гелем для запобігання розповсюдженню дендритів.

Нові арамідні нановолокна також дозволили збільшити ємність та термін експлуатації акумуляторів за рахунок безперешкодного руху заряджених іонів.

Провідний автор дослідження, хімік-інженер Ніколас Котов з Університету Ірвінга Ленгмюр заявив, що конструкція нової батареї майже ідеальна, оскільки вона може витримувати екстремальні температури, — від літньої спеки до зимових морозів.

Вчені оцінили реальний термін служби своєї АКБ приблизно 1000 циклів зарядки-розрядки, а запас ходу 2000 км. «Досягнення рекордних показників відразу за декількома напрямками — це те, що зараз необхідне для автомобільних акумуляторів. Це чимось схоже на гімнастику на Олімпіаді — треба бути ідеальним у всьому, включно із стійкістю виробництва», — заявив Котов.

Перевагою літій-сірчаних акумуляторів є і простіший видобуток сірий, порівняно з кобальтом. А арамідні волокна, які потрібні для стабілізації роботи АКБ, можна переробляти з старих бронежилетів.

Кілька років тому дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго також відкрили новий стан літію, який може дозволити створити більш ефективні та довговічні акумулятори для електрокарів.

Йшлося про некристалічний склоподібний літій, який дозволяє стабілізувати електричний заряд і знизити рівень деградації літієвих АКБ. Проблема полягала лише у складності виробництва склоподібної металевої структури.

Автори відкриття припускали, що ці аморфні активні метали дозволять зробити прорив у різних галузях, включаючи біомедицину, нанотехнології та мікроелектромеханічні системи.