Представьте себе следующее: в настоящее время проходит тестирование технологии, которая, будучи выпущенной на публику, станет долгожданной революцией в энергетике. Эта новая технология обещает быть более безопасной и эффективной, чем все, что мы имеем сейчас на рынке. Это повлияет на то, что мы считаем обыденным — электроинструменты, игрушки, ноутбуки, смартфоны — и то, что мы считаем исключительным — медицинские приборы, космические корабли и инновационные конструкции новых транспортных средств, необходимые для того, чтобы отучить нас от ископаемого топлива. Мы знали об этой технологии веками, но до сих пор нам удавалось делать лишь небольшие шаги к ее созданию. Миллиарды долларов вливаются в исследования, и еще миллиарды будут сделаны, как только технология будет усовершенствована и выпущена.
Речь идет о грядущих инновациях в области аккумуляторной техники — в частности, о твердотельных батареях. И хотя как термоядерная энергия, так и твердотельные батареи были названы технологиями будущего, но никогда не сегодняшнего дня, достижения и инвестиции в твердотельные материалы значительно возросли за эти годы. Сегодня не только есть много крупных компаний и заслуживающих доверия исследователей, но и кажется, что мы, наконец, можем начать выпускать эти батареи всего через несколько лет.
Что мы можем ожидать, когда эта неуловимая, преобразующая технология будет наконец готова к массовому производству?
Батареи -это не что иное, как устройства, которые накапливают химическую энергию и преобразуют ее в электрическую. Они состоят из четырех основных частей: катода, анода, электролита и сепаратора. Катод и анод-это электроды. Наш электрический ток возникает, когда электроны передаются от одного электрода к другому. В этом случае электроны переходят от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Таким образом, роль двух электродов состоит в том, чтобы производить наш электрический ток. Раствор электролита позволяет положительно заряженным ионам течь между двумя электродами. Это уравновешивает поток электронов. Наконец, сепаратор удерживает два электрода друг от друга и предотвращает короткое замыкание батареи.
Есть одно важное различие между нашими нынешними батареями и твердотельными батареями будущего: электролит. Современные литий-ионные аккумуляторы имеют жидкий электролит. К сожалению, некоторые соединения, присутствующие в жидком электролите, способствуют росту кристаллических структур, известных как дендриты. Дендриты производят длинные, острые усы, которые могут проколоть сепаратор и вызвать короткое замыкание, что, следовательно, приводит к опасным взрывам. Как следует из их названия, твердотельные батареи имеют твердый электролит, который подавляет рост этих вредных дендритов. Не говоря уже о том, что происходит нечто поразительное, как только электролит переходит из жидкого состояния в твердое.
Аккумулятор имеет более высокую плотность энергии, риск возникновения пожаров и взрывов значительно снижается, он занимает меньше места и способен работать в более широком диапазоне температур. Давайте посмотрим, например, что это будет означать для транспортных средств.
Безусловно, самым большим недостатком электромобилей сегодня является их ограниченная дальность движения. Средний электромобиль получит дальность 400-450 км на полной зарядке. Полная зарядка автомобиля занимает от часа до 17 часов в зависимости от того, заряжается ли автомобиль на станции или использует стандартную розетку дома. Тем не менее, ожидается, что электромобили будут продолжать расти в популярности, в конечном итоге доминируя в автомобильном секторе. Чтобы достичь этой точки, им нужно будет расширить свой радиус действия по крайней мере до 700 , оставаясь при этом доступными для потребителя.
Теперь давайте представим твердотельную батарею.
Дальность движения электромобилей становится вдвое или втрое больше, чем сейчас. Компании могут выбрать между изготовлением меньшего, более легкого аккумулятора, который заряжается быстрее, или оставить аккумулятор того же размера с гораздо более широким диапазоном. Время зарядки также сокращается до 15 минут. Если мы посмотрим на достижения Samsung в области твердотельных аккумуляторов, мы увидим, что они смогли разработать аккумулятор, который можно заряжать и разряжать более 1000 раз с диапазоном 500 миль (805 км) за заряд. Это время автономной работы 500 000 миль. И все это при том, что он способен эффективно работать при более экстремальных температурах.
Что-то вроде этого может стать концом газовых транспортных средств. Для ноутбуков и смартфонов это означает, что устройства могут длиться несколько дней на одной (очень быстрой) зарядке, при этом общий срок службы батареи увеличивается всего с 2 лет до более чем 10. Медицинские устройства могут стать более портативными и компактными, а больший температурный диапазон означает, что твердотельные батареи могут найти применение в будущих космических технологиях.
Этот потенциал не ускользнул от внимания влиятельных компаний. "Volkswagen", "Ford", "BMW", "Hyundai", "Toyota" и Билл Гейтс вложили миллиарды долларов в исследования твердого тела. Компания, поддерживаемая Биллом Гейтсом, известная как QuantumScape, сделала твердотельные батареи со слоями керамики, которые устойчивы к росту дендритов и способны работать при более низких температурах. Toyota планирует ограниченный выпуск автомобилей с твердотельными аккумуляторами к 2025 году. И все же самый захватывающий прорыв исходит от кого-то, о ком вы, вероятно, никогда не слышали.