Проблемы массового внедрения значительны, но преимущества могут кардинально изменить ситуацию.
Фраза «что под капотом» быстро устаревает. Для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания двигатель часто является наиболее важным фактором общей производительности автомобиля. Но сегодня, когда на первый план выходят электромобили, этот вопрос неактуален — и не только потому, что под капотом обычно находится множество нетрадиционных компонентов и, возможно, немного места для хранения.
Для сегодняшних потребителей, размышляющих о покупке электромобиля, самым важным компонентом является аккумулятор. Все массовые электромобили сегодня полагаются на литий-ионные аккумуляторные батареи для питания электродвигателей, которые заставляют их двигаться. (Хотя химия иногда отличается, литий остается ключевым элементом.) Эти батареи большие и тяжелые, часто занимая весь пол автомобиля; некоторые даже занимают части багажника и туннеля трансмиссии.
Современные батареи также чувствительны к перепадам температур, по-прежнему заряжаются медленно по сравнению с заправкой газом, со временем деградируют и могут превратиться в ужасающе интенсивный ад. Хотя конструкция литий-ионных батарей стала намного лучше в последние годы (отдельные ячейки стали гораздо менее взрывоопасными), их фундаментальная структура означает, что пожар всегда будет рискованным.
Но разрабатывается новый тип аккумулятора, который может произвести революцию в производительности электромобилей, что приведет к появлению батарей, которые предлагают больше энергии при меньшем весе и с меньшим риском взрыва. Их называют твердотельными аккумуляторами, и хотя они обладают огромным потенциалом, все еще есть ряд препятствий, которые нужно преодолеть, прежде чем они выйдут на рынок.
Развитие производства твердотельных аккумуляторов
Samsung анонсирует аккумулятор, способный проехать 600 миль
3 августа 2024г.: На мероприятии SNE Battery Day в Сеуле, Южная Корея, компания Samsung анонсировала твердотельный аккумулятор, способный проехать 600 миль, заряжаться за 9 минут и работать 20 лет. В объявлении было мало параметров для этих заявлений, но предполагалось, что сам аккумулятор был среднего размера и веса (для новых аккумуляторов заявлена плотность 500 Вт·ч/кг, по сравнению с 150–220 для NMC и 90–160 для LFP). Мы также предполагаем, что зарядка производилась на уровне от 10 до 80 процентов, а не до полного заряда, и что мощность быстрой зарядки постоянным током была выше, чем в настоящее время доступно в Северной Америке (в Китае действуют стандарты зарядки 480 и 600 кВт, в то время как 350 — это максимум, на который мы сейчас способны).
Как и положено в подобных объявлениях, Samsung не стал распространяться о химических подробностях, но упомянул «высоконикелевый NCS». Если поискать информацию в интернете то можно понять, что это сульфид никеля-кобальта (NiCo2S4). Если копать глубже выясняется, что нанопровода NCS были популярным выбором для использования в цинк-ионных батареях. Они, в водном цинковом формате, часто используются в сетевых хранилищах, поэтому твердотельное применение действительно является новым применением.
В объявлении также отмечалось, что шесть месяцев назад Samsung выпустила первую партию этих твердотельных аккумуляторных ячеек на пилотной производственной линии для потенциальных OEM-клиентов, чтобы начать тестирование. Компания заявила, что, если тестирование пройдет успешно, а пилотное производство продолжится без серьезных сбоев, массовое производство может начаться в 2027 году. Еще один обман: Samsung признает, что высокие производственные затраты ограничат эти ячейки «супер премиальным сегментом электромобилей».
Nio выпускает свой «полутвердотельный» аккумулятор
5 апреля 2024 г.: китайский автопроизводитель Nio спустил с конвейера первую «полутвердотельную» батарею в пакете емкостью 150 кВт·ч, предназначенном для его седана ET7 на китайском рынке. Заявленная плотность энергии составляет 260 Вт·ч/кг, и она обеспечивает запас хода (предположительно по китайскому циклу) в 656 миль. Сами ячейки в виде мешочков производятся пекинским стартапом WeLion New Energy Technology, но такие детали, как активные материалы анода и катода, полимерный электролит и т. д., на основе опубликованной информации определить сложно. Напомним, что в настоящее время Nio управляет 2400 станциями замены батарей и планирует в скором времени сделать эти сверхдальнобойные батареи доступными на этих станциях. Это говорит о том, что, возможно, будет возможность лизинга, позволяющая клиентам использовать сверхдальнобойную батарею только тогда, когда она им нужна для поездок.
Различия в конструкции
Чтобы понять, чем отличаются твердотельные батареи, нам придется немного покопаться в технике. Так что пристегнитесь, но мы постараемся сделать это легко.
Почти все батареи, включая традиционные литий-ионные батареи и твердотельные батареи (которые также используют литий-ион в качестве основного химического вещества), имеют одинаковую базовую архитектуру. С одной стороны находится катод, который служит положительным полюсом при разряде. С другой стороны находится анод, который является отрицательным полюсом. То, что происходит внутри, зависит от типа батареи, но в целом реакция заставляет электроны течь с одной стороны на другую, создавая цепь и питая ваш телефон, часы, автомобиль или что-то еще.
Литий-ионные аккумуляторы в вашем смартфоне или электромобиле разработаны так, чтобы быть как можно меньше, поэтому анод и катод расположены вплотную друг к другу, иногда даже намотаны друг на друга в случае цилиндрических аккумуляторов. Если позволить этим двум компонентам соприкоснуться, это вызовет короткое замыкание, что очень плохо. Поэтому, чтобы разделить их, между ними помещается мембрана, называемая сепаратором. Обычно это тонкая пластиковая пленка.
Но для того, чтобы батарея работала, ионы должны течь от анода к катоду или наоборот, в зависимости от того, выдает ли батарея энергию или перезаряжается. Как заставить их течь через пластиковый сепаратор? Вы используете жидкий раствор электролита и убедитесь, что сепаратор достаточно пористый, чтобы позволить ему течь.
В твердотельной батарее это концептуально та же базовая структура: анод и катод с сепаратором между ними. Однако в этом случае сепаратором является электролит, твердый, часто керамический материал, который пропускает поток ионов напрямую.
Это звучит как незначительное изменение, но оно имеет огромные последствия — как положительные, так и отрицательные. Прежде чем мы рассмотрим проблемы, давайте рассмотрим некоторые преимущества твердотельных накопителей.
Преимущества твердотельных аккумуляторов
Плотность энергии
Плотность энергии батареи — это то, сколько фактического электричества она может выдавать при заданном весе или объеме. Это ключевой момент, поскольку более высокая плотность означает меньший вес, что может фактически увеличить запас хода электромобиля, даже если электрическая мощность батареи останется прежней.
«По мере перехода к твердотельным аккумуляторам, причина, по которой они так полезны, и причина, по которой вы получаете от них это преимущество сверхпроизводительности, заключается в том, что они позволяют использовать аноды с более высокой плотностью энергии», — сказал Рори МакНалти, соавтор отчета Benchmark Mineral Intelligence's Solid-State and Lithium Metal Batteries Report. МакНалти говорит, что это увеличение может означать, что аккумуляторы будут в три раза более энергоемкими, чем современные литий-ионные элементы.
Для сравнения, в среднем аккумуляторная батарея на 80 киловатт-часов в электромобиле сегодня весит около 1000 фунтов. При трехкратной плотности твердотельный аккумулятор на 80 кВт-ч будет весить всего 333 фунта. Меньший вес в электромобиле означает больший запас хода.
Быстрая зарядка
«Твердотельные батареи, в общем-то, в зависимости от того, насколько тонким вы сможете сделать электролит, должны заряжаться гораздо быстрее, чем [современные литий-ионные батареи с жидким электролитом]. Без проблем с безопасностью», — сказал МакНалти.
Конкретные прогнозы для твердотельных аккумуляторных батарей распространяются повсюду, но многие стартапы, работающие с твердотельными батареями, оценивают полную зарядку примерно в 10-15 минут. Полная зарядка современных типичных литий-ионных батарей легко занимает час или больше на быстром зарядном устройстве.
Высокая стабильность
В обычных условиях электромобиль, оснащенный литий-ионными аккумуляторами, совершенно безопасен. Однако если аккумулятор начинает слишком сильно нагреваться из-за повреждения или неправильной зарядки, это может вызвать цепную реакцию. Те жидкие электролиты, которые заполняют аккумуляторы? Ну, они очень огнеопасны.
«Когда батарея переходит в так называемый тепловой разгон, происходят реакции с этой жидкостью», — сказал МакНалти. «Эти цепные реакции генерируют много тепла, которое затем еще больше ускоряет реакции и вызывает пожар».
В твердотельных аккумуляторах нет жидких электролитов, поэтому даже при невероятно высокой скорости зарядки риск возгорания остается низким.
Быстрое изготовление
Изготовление литий-ионной батареи может быть длительным процессом. После того, как ячейка сконструирована, наступает фаза заполнения и кондиционирования, на которой наносится жидкий электролит. «Вы аккуратно, аккуратно заряжаете и разряжаете батарею, позволяя электродам сформировать защитное покрытие, почти как подготовка к началу нормальной жизни батареи», — сказал МакНалти. «Теперь, с твердотельным сепаратором, вам не нужны эти шаги, поэтому вы убираете до трех недель времени обработки с вашей производственной линии».
В эпоху быстрого производства и логистики поставок «точно в срок» сокращение общего процесса производства автомобиля на три недели было бы огромным событием.
Недостатки и препятствия твердотельных аккумуляторов
Все это звучит здорово, и неудивительно, что десятки стартапов работают над выводом на рынок твердотельных аккумуляторов, многие из которых имеют большое финансирование от крупных OEM-производителей и оптимистичные прогнозы запуска продуктов к 2025 году. Хотя это может быть и оптимистично. Давайте рассмотрим некоторые препятствия.
Нехватка материалов
Хотя внутренние компоненты батарей различаются в зависимости от конструкции, литий является ключевым фактором в большинстве из них. В мировом масштабе цены на литий утроились только за последний год, и это несмотря на то, что мировое производство лития утроилось всего за последние пять лет. Существует, попросту говоря, глобальный дефицит этого материала.
Проблема в том, что твердотельные батареи на самом деле могут использовать даже больше лития, чем сегодняшние литий-ионные батареи. Помните те аноды с более высокой плотностью, упомянутые выше? Они, скорее всего, будут сделаны из чистого лития. «Теперь литий может увеличить удельную энергию вашей батареи до трех раз, но он поставляется в виде чистого лития, что означает, что интенсивность лития также увеличивается», - сказал МакНалти, отметив, что это усугубит дефицит лития.
«Это будет в пять-десять раз больше лития для той же батареи», — сказал доктор Джордан Линдси, менеджер по исследованиям и инновациям в Minviro, британской консалтинговой фирме, которая оценивает воздействие производства сырья на окружающую среду. «Так что, если вы сможете добиться переработки для этого, здорово. Но если нет, мы уже прогнозируем трудности с цепочками поставок для обычных литий-ионных, поэтому я понятия не имею, как мы будем обеспечивать ресурсами твердотельные».
Проблемы переработки
По словам Линдси, на данный момент не существует эффективных способов переработки твердотельных аккумуляторов.
«Одной из проблем с твердотельными батареями является то, что нам придется улучшить переработку лития. В настоящее время с литий-ионными батареями вы можете довольно хорошо перерабатывать никель, кобальт, марганец — алюминий и медь из компонентов ячеек — довольно хорошо», — сказал Линдси. «Но графит и литий — это проблема. Они являются камнем преткновения для оптовой переработки батарей замкнутого цикла. Они все еще работают над эффективностью этого».
Переработка могла бы помочь решить проблемы с цепочкой поставок, одновременно смягчив экологические опасения, но Линдси опасается, что этого может произойти недостаточно скоро, чтобы исправить ситуацию: «Существует огромная критическая ситуация в отношении материалов, и я не думаю, что к ней относятся так серьезно, как могли бы».
Он продолжил: «Я думаю, что существует своего рода беспорядочная борьба за то, чтобы попытаться продвинуться вперед, и промышленная сторона переработки батарей, потому что это действительно важно с точки зрения LCA [оценки жизненного цикла], не обязательно с точки зрения воздействия на окружающую среду, потому что процессы переработки сами по себе довольно энергоемки, но с точки зрения снижения нагрузки на цепочки поставок. Это важно. Мы не сможем производить все эти батареи без переработки».
Дендриты
Быстрое обновление: В твердотельных батареях анод и катод разделены твердым электролитом. Это означает меньшие, более плотные батареи и более плотный, чистый литий для одного из электродов.
Пока все хорошо, не так ли? Что ж, исследователи обнаружили проблему, которая также преследует литий-ионные аккумуляторы, питающие современные электромобили, особенно когда они многократно заряжаются на мощных станциях быстрой зарядки. По мере старения этих аккумуляторов форма литиевого электрода меняется, разрастаясь странным, органическим образом. Литий образует то, что называется дендритами, разветвленными структурами металла, которые буквально прорастают в твердый электролит.
В конце концов, эти дендриты вырастают достаточно длинными, чтобы достичь другой стороны электролита, замыкая аккумуляторную батарею. Опять же, это плохие новости. Недавние исследования MIT определили, что дендриты образуются из-за внутренних напряжений в конструкции батареи. Применяя другие физические напряжения, эти исследователи обнаружили, что они могут подавлять рост дендритов. Однако, поскольку эти результаты только что вышли из лаборатории, могут пройти годы, прежде чем решение можно будет применить в массовом производстве.
Расходы
Возможно, самый большой недостаток из всех — это стоимость. Твердотельные батареи не только требуют более высокой плотности редких металлов, но и их технология строительства полностью отличается от современных литий-ионных ячеек. Это означает новые заводы, новые процедуры и новые преимущества масштабного производства, которые все еще изобретаются.
Однако есть потенциал, что эти батареи станут еще дешевле — в конечном итоге. «Первая коммерциализация твердотельной батареи не будет конкурентоспособной по стоимости с [сегодняшними] литий-ионными батареями; она будет стоить дороже», — сказал МакНалти. «Но эти преимущества в безопасности и дальности хода и тому подобном, вероятно, компенсируют это. Со временем, в течение первых пяти-десяти лет коммерциализации, она начнет становиться конкурентоспособной по стоимости по мере совершенствования технологии».
Итак, когда?
Сообщается, что некоторые производители в ближайшие несколько лет начнут выпускать твердотельные аккумуляторные батареи для автомобилей, но очевидно, что поначалу масштабы этого производства будут крайне ограниченными.
«Поэтому, если говорить о массовом производстве, я бы сказал, что 2030 год — это оптимистичное предположение, когда первые твердотельные батареи начнут массово приобретаться потребителями», — сказал МакНалти. «И эти первые транспортные средства действительно будут тестовыми системами, которые будут очень дорогими. Они будут высокопроизводительными, но я думаю, что идея этих транспортных средств будет в том, чтобы привыкнуть к технологии, и я не думаю, что возникнет желание производить их в значительных количествах, пока они не освоят, какова эта технология в естественном применении электромобилей».
МакНалти говорит, что 2032–2035 годы — более реалистичная оценка того, когда мы можем увидеть электромобили с твердотельными батареями в массовом производстве. Это дает разработчикам батарей около десятилетия, чтобы разобраться с вопросами переработки и цепочки поставок. Но Линдси из Minviro оптимистично настроен, что к тому времени мы также можем стать более экономными в конструкции наших автомобильных батарей: «Это звучит как-то глупо и просто, но простое уменьшение размера батареи вдвое снизит нагрузки деформации», — сказал он. «Я думаю, что разговор должен идти о сокращении размера батареи вдвое, создании батарей, которые работают так, как нужно людям».
Таким образом, преодоление страха перед дальностью поездки может стать последним ключом к тому, чтобы заставить твердотельные батареи работать.