Современные электромобили используют большие литий-ионные батареи, которые работают достаточно хорошо. Они могут хранить довольно большое количество энергии по отношению к их весу. Их также не нужно полностью разряжать каждый раз перед зарядкой, поэтому обычно вы можете поставить автомобиль на зарядку, когда вам удобно, не слишком задумываясь о том, не повредите ли вы аккумулятор.
Но этим батареям по-прежнему не хватает емкости. Они нестабильны и легко воспламеняются, поэтому, возможно, неудивительно, что ведутся поиски альтернатив.
«Твердотельные батареи могут стать будущим для электромобилей завтрашнего дня», — говорит Даниэль Реттенвандер, профессор кафедры материаловедения и инженерии NTNU.
Реттенвандер является частью исследовательской группы, изучающей, как можно заряжать твердотельные батареи намного быстрее, чем это возможно в настоящее время, и сделать их более безопасными и простыми в переработке. Их исследование было опубликовано в Nature Communications. Исследователи из Норвегии сотрудничали с коллегами из Австрии, Германии и США.
Выводы могут быть важны как часть работы по привлечению большего числа людей к использованию твердотельных батарей, возможно, в качестве технологии, которая в какой-то момент будет готова к коммерциализации.
Твердотельные аккумуляторы имеют ряд преимуществ по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Они могут иметь более высокое напряжение и более высокую энергоемкость для хранения энергии по отношению к их весу и объему.
Такие батареи сегодня используются в кардиостимуляторах и портативной электронике, где особенно важно, чтобы батареи были маленькими. Маленькие батареи также легче производить, поэтому твердотельные батареи коммерчески доступны только в небольших количествах. Затраты на производство более крупных батарей были бы слишком высоки, поскольку их производство обходится дорого.
Твердотельные батареи также могут быть более безопасными, чем обычные литий-ионные батареи. Среди прочих характеристик они выдерживают гораздо большие колебания температуры, чем литий-ионные аккумуляторы. Это особенно приятно холодным зимним утром в гараже или в дальних поездках.
Кроме того, твердотельные батареи менее огнеопасны, чем литий-ионные, поскольку они не содержат жидкого электролита. Эти электролиты представляют собой заряженные вещества, которые используются для проведения электричества. Как следует из их названия, твердотельные батареи используют твердые вещества вместо гораздо более распространенных жидких электролитов.
Но твердотельные батареи могут заряжаться быстрее, чем сегодня. Одна из проблем, которую необходимо решить, заключается в том, что использовать твердые вещества для переноса электрических зарядов сложнее, чем жидкости.
«Мы исследовали, как мы можем более эффективно заряжать твердотельные аккумуляторы при гораздо более высоком токе, что сокращает время зарядки любого электронного устройства или электромобиля, использующего эти аккумуляторы», – говорит Флориан Флатшер, кандидат философии, который работал с Реттенвандером и Вереной Райзекер из Технологического университета Граца.
Механизм зарядки очень сложен для понимания большинства из нас, но те, кто уже немного разбирается в этом, могут ознакомиться со статьей. Результаты исследования также могут способствовать тому, что твердотельные батареи легче перерабатывать.
Исследователи также больше знают о том, почему твердотельные батареи выходят из строя. Само собой разумеется, что это важно. «В твердотельных батареях также используется литий. Мы видим, что активность лития может сыграть решающую роль, когда твердотельные батареи перестают работать», — говорит Реттенвандер.
Это совершенно новое понимание, и это шаг на пути к пониманию механизмов, лежащих в основе того, что называется «дендриты». Это создает проблему для твердотельных аккумуляторов. В этом контексте дендриты представляют собой особые частицы лития, которые могут образовываться в результате коррозии и механического воздействия. Эти частицы лития, в свою очередь, могут закорачивать проводники.
«Теперь мы знаем больше о том, как мы можем предотвратить образование таких дендритов. Это реальное преимущество для безопасности», — говорит Флэтшер.
Твердотельные батареи дороже литиевых, но это может измениться при их массовом производстве. Ряд производителей объявили, что разрабатывают автомобили с твердотельными батареями. Первые могут появиться на рынке уже в 2024 году.
