Кремниевые батареи на электрическом «Гелендвагене». Что они дают?

Электрический Mercedes-Benz EQG выходит в этом году, «кремниевая» батарея будет опционной

Mercedes-Benz EQG планирует стать первым серийным электромобилем с новым типом батарей: в заголовке я назвал их кремниевыми, но, строго говоря, это батареи с кремниевым анодом. Их характеристики настолько хороши, что есть с полдюжины стартапов, которые готовят такие батареи для Porsche, GM, Volvo, Polestar, VinFast, так что в теории Mercedes может и не стать первым.

Серьёзный конкурент — Polestar 5 (компания входит в структуру Volvo/Geely). Батарею с кремниевыми анодами для него готовит StoreDot, испытания идут полным ходом, предположительный дебют — 2024 год, серийное производство — с 2026

Современные литий-ионные батареи различаются в основном по материалу катода, для которого есть масса рецептур (LFP, NCA, NMC...). Аноды же практически всегда делают из графита. При этом именно анод хранит ионы лития в полностью заряженном состоянии, поэтому его ёмкость крайне важна.

Десятикратный запас на вырост

И кремний гораздо лучше графита (углерода). Если для удержания одного иона лития нужно шесть атомов углерода, то с кремнием ситуация обратная: один атом фиксирует 3,75 иона лития. То есть на молекулярном уровне разница в 22,4 раза. Если привести заряд к массе электрода, то преимущество получается десятикратным: для кремния — 3600 мА*ч/г, для графита 372 мА*ч/г. В результате открывается невероятный простор для увеличения удельной ёмкости.

Сейчас хорошим результатом для электромобильных батарей считается уровень в 300 Вт*ч/кг. Это немало: то есть ячейки общей емкостью 100 кВт*ч (как у большинства топовых электромобилей) весят примерно 333 кг. Но, например, американская компания Amprius сделала батарею с кремниевым анодом с подтверждённой емкостью 500 кВт*ч. При такой плотности наша батарея на 100 кВт*ч весит уже 200 кг.

Этот чёрный порошок похож на графит, но в каждой его частичке инкапсулированы микрочастицы кремния (фото компании Group14)

Кремний и сейчас применяется в качестве добавки к графитовым электродам (например, этим балуется Tesla), но в небольших количествах — 5-10%. Вопрос в увеличении этой доли вплоть до почти 100%.

Скорость зарядки — 10 минут

Кремниевые аноды обеспечивают гораздо большие скорости зарядки, например, компания StoreDot испытывает такие аккумуляторы на электромобилях Polestar (крыло Volvo/Geely): их зарядка в диапазоне 10-80% занимает 10 минут, 0 до 100% — 28 минут. Что важно, в течение 1000 циклов батарея не показывает признаков деградации. Такие скорости зарядки вкупе с большей ёмкостью сулят почти бесшовный переход на электромобили: представьте батарею емкостью 150-200 кВт*ч, которая даже в диапазоне 10-80% обеспечивает этак 600 честных километров пробега, требуя потом дозарядки в течение 10 минут...

Впрочем, есть одно но.

Главная проблема кремния

Она связана с его главным плюсом: он набирает так много ионов лития, что разбухает в 3-4 раза, трескается и разваливается. Первые эксперименты с кремниевыми электродами начались ещё в 1970 годах (то есть до коммерческого выхода литий-ионных батарей), но тогда же и закончились, потому что ресурс батареи составлял несколько зарядок. К тому же литированный кремний химически активен и нуждается в защите от электролита.

Как решают главную проблему

Популярны два подхода. Первый: использовать графит или другие вещества как оболочку, внутри которой вживлены наночастицы кремния. Таким путём пошла упомянутая StoreDot, а также Group14 (для Porsche) и Sila (для Mercedes-Benz EQG). Последняя, судя по заявлениям, ближе всего к серийному производству.

Порошок с содержанием кремния компании Sila: видимо, такой и будет использоваться в батареях Mercedes-Benz EQG

Второе направление мысли — это тонкие кремниевые волокна. Amprius наращивает их в виде нановорса прямо на медную фольгу, а OneD внедряет в графитовую подложку, заявляя плотность энергии в 350 Вт*ч/кг. Это не сногсшибательно, но заметно лучше «среднего по больнице» (и лучше тесловских батареек 4680).

Слева показаны кремниевые нановолокна Amprius. Минус такого подхода — он требует перенастройки производства батарей, тогда как кремне-графитовые порошки позволяют использовать нынешние мощности. Но подход Amprius сулит лучшие показатели

Есть и другие идеи, например, использование тонких кремниевых плёнок (Enevate) или технологии внедрения кремния в графитовый анод (NanoGraf). А тайваньская ProLogium заявляла о разработке твердотельной батареи с полностью кремниевым анодом в партнёрстве с Mercedes (но без подробностей).

Цена вопроса

Кремний — второе по распространённости вещество на Земле, поэтому удобен в качестве сырья. Тем более, львиную долю графита в мире производит Китай, а за ним с огромным отставанием идёт Россия.

Но поскольку кремний используют в сложной форме, это сказывается на стоимости батарей. StoreDot заявляет, что добилась цены примерно в $130 за кВт*ч, тогда как индустрия в целом стремится к показателю в $100 за кВт*ч. Пока кремне-анодные батареи нацеливают в основном на премиум-сегмент, а Amprius именно по этой причине выбрала для начала малую авиацию.

Впрочем, стоимость технологии снижается с увеличением тиражности, и потенциал тут есть. В любом случае батареи с кремниевым анодом, в отличие от натрий-ионных, займут противоположную часть спектра, более дорогую.

Электрический EQG должен сохранить все родовые черты классического «Гелика»

Было бы красиво увидеть их дебют на электрическом «Гелендвагене». Он похож на классическую версию и обещает чуть ли не лучшую проходимость. А с таким угловатым и массивным кузовом ему понадобится выдающаяся батарея, чтобы он смог хотя бы дотянуть до бездорожья. Вот и поглядим, чего стоит кремний.