Твердотельный аккумулятор («Solid-State Battery») — это аккумуляторная технология, которая всё ещё не создана.
Toyota, Samsung, Panasonic, Murata и многие другие промышленные гиганты стремятся как можно скорее её закончить, чтобы заменить распространившиеся за последние 30 лет литий-ионные (в том числе литий-полимерные) аккумуляторы.
💬 Готовность к массовому коммерческому производству оценивается к 2025-му году [Bloomberg, 28 октября 2021].
Узнайте, чем технология отличается от других, и почему во всём мире учёные не сдаются и считают, что без твердотельной батареи у человечества нет никакого будущего.
Что это значит — твердотельный аккумулятор?
⭐ Твердотельный аккумулятор — это литиевый аккумулятор с твёрдым «телом» электролита. И это главное его отличие от всех остальных.
- В обычных литий-ионных (Li-ion) электролит жидкостный (то есть в жидком состоянии);
- в литий-полимерных (Li-Polymer), или вернее сказать, «литий-ион-полимерных» (Li-ion Polymer) — тоже жидкостный, но в виде пропитки для твёрдого пористого сепаратора (иногда его тоже называют твердотельный в маркетинговых целях, но это неверно с инженерной точки зрения), редко бывает загущенный полимерными материалами (гелеобразный).
⭐ Твердотельный электролит — это полимерные и композитные материалы на основе неорганических оксидов и сульфидов.
Каждый разработчик, исследователь и стартап изучает собственные уникальные формулы, получая разные химические составы. Часто они патентуются.
Например, у Toyota было 203 патента в области твердотельных аккумуляторов за 2010-2018, у Samsung и Fuji Film по 35, у Murata 33, у Panasonic 30 [Statista, 19 октября 2021].
Погоня исследований объясняется просто. В случае успеха и выхода на коммерческое производство, разработчик получит несравнимые преимущества за счёт владения более совершенной технологией, чем литий-ионная. Ставки высоки.
Преимущества (плюсы) твердотельного аккумулятора
- Переход от графита на аноде (как у Li-ion) к чистому литию увеличивает удельную энергию (меньше размеры и вес, дольше держит заряд);
- трёхмерная структура поверхностей позволяет сделать слои тоньше (увеличивается ёмкость, дольше работает от одной зарядки);
- отказ от жидкого электролита в пользу твёрдого полимера или керамического сепаратора решает проблему дендритов (увеличен срок службы);
- совокупное применение новых материалов позволяет ячейке принимать заряд за короткое время (самая быстрая зарядка из доступных).
Исследователи не сдаются, хотя им предстоит ещё решить огромное количество инженерных проблем, с которыми все они столкнулись при разработке твердотельных аккумуляторов.
Недостатки (минусы) твердотельного аккумулятора
- Литиевый анод подвержен расширению при заряде и сжатию при разряде (проблема безопасности, для которой фактически найдено решение);
- пока удаётся уменьшить размеры, но не вес ячеек (например, в электромобилях важнее уменьшить массу транспортного средства);
- безопасность сильно зависит от конкретных материалов и их сочетания (одни твердотельные аккумуляторы безопаснее других);
- плохая проводимость материалов при низких температурах (хуже приспособлены к зимней эксплуатации, чем литий-ионные);
- доказательств срока службы больше, чем у литий-ионных не предоставлено до сих пор (проблема скрыта в сложной диагностике ячеек из-за конструкции);
- фактор, который говорит скорее о невысоком сроке службы — относительно высокое внутреннее сопротивление таких ячеек.
Поэтому технология твердотельных аккумуляторов всё ещё исследуется. Сейчас вы не найдёте в массовой продаже ячейки такого типа за редким исключением (опытные поставки).