Они уже среди нас — новые типы аккумуляторов в преддверии 2025 года понемногу появляются в различных устройствах и в транспорте. Узнайте про реально улучшенные батареи и их производителей.
Индустрия аккумуляторов никак не продвинется в развитии. 30 лет топчемся на месте. Толком инновации не реализуются с тех пор, как литий-ионные ячейки заполонили рынок.
Что говорить, если за запуск автомобиля даже в электромобилях до сих пор трудятся свинцово-кислотные батареи — изобретение 19-го века!
Однако всё непросто. Рынок в самом деле развивается. Сейчас очень быстро «выросли» литий-железо-фосфатные и литий-титанатные ответвления технологии Li-ion. Мы уже говорили об этом ранее, почитайте.
Производители искренне хотят предложить более эффективные и безопасные решения. Для этого они инвестируют в НИОКР и лаборатории, спонсируют учёных и исследования.
Тем самым мы постоянно с вами слышим про совершенствования литий-ионных аккумуляторов. Вот только на рынок новые технологии едва ли добираются.
Энергетическому ландшафту три десятилетия. И только сейчас он начинает меняться. Медленно. Но меняться.
👇 Рассмотрим ключевые разработки, которые уже нашли практическое применение в 2024-м году.
Литий-серные аккумуляторы (Li-S, lithium–sulfur battery)
- Статус: выпускается коммерчески.
- Выпускают: Lyten, Sion Power, Samsung SDI, LG Chem, OXIS Energy, Panasonic, Soild Power, Sila Nanotechnologies.
Отличаются высокой теоретической энергоёмкостью. То есть один элемент в размерах литий-ионной ячейки сохраняет и отдаёт больше заряда.
✅ Попросту, он дольше работает в тех же габаритах.
Но у них есть проблема — быстрая деградация. Связано такое с растворением полисульфидов лития в электролите («эффект челнока»).
❌ Быстрая деградация ограничивает их срок службы.
Для продления срока службы до уровня «близко к Li-ion» производители подбирают добавки в электролиты и модифицируют катодные материалы. Как? Коммерческая тайна. Никто не знает. В научной литературе также упоминается применение сепараторов с функциональными покрытиями, но пока без подробностей для «повторить в гаражных условиях».
Применение:
- Сейчас OXIS Energy поставляет Li-S аккумуляторы для авиации и оборонной промышленности (предположительно для БПЛА).
- Пока ещё на этапе тестирования и разработки опытные образцы отправляет заказчикам Sion Power — это решения под электротранспорт (не электромобили, а различные электропогрузчики, электропаллеты, поломойки и тому подобное), для стационарного хранения энергии.
- Также Li-S аккумуляторы сейчас опытно применяют в низкоорбитальных спутниках.
Твердотельные аккумуляторы (Solid-State Battery, SSB, All Solid Battery)
- Статус: выпускается коммерчески.
- Выпускают: Samsung SAIT, Solid Power, QuantumScape.
Предлагают повышенную безопасность. Твёрдый электролит в основе данной технологии исключает риск возгорания, как у жидкостных литий-ионных элементов (в том числе загущенных электролитов в литий-полимерных).
Твердотельные аккумуляторы пока не достигли высоких значений энергоёмкости. Если учёным удастся решить ряд проблем, то в теории они способны в разы превзойти своих жидкостных предшественников.
✅ Технология помогает батарее дольше служить, больше работать и быть безопаснее в экстремальных ситуациях — по сути это «Li-ion 2.0».
Samsung и Toyota инвестируют значительные средства в разработку твердотельных аккумуляторов для электромобилей. Solid Power сотрудничает с BMW и Ford. QuantumScape разрабатывает твердотельные аккумуляторы с литиево-металлическим анодом.
❌ Из минусов — низкая ионная проводимость твёрдого электролита при комнатной температуре, что ограничивает мощность и скорость зарядки, а ещё очень дорого их производить.
Учёные хотят открыть больше новых материалов в поисках увеличения ионной проводимости. Приоритет на разработку тонкоплёночных твердотельных аккумуляторов — это отдельная тема. И, конечно, для снижения затрат нужно оптимизировать производственные процессы. Пока же там остаются все деньги.
Применение:
Твердотельные аккумуляторы используются в некоторых нишевых применениях, таких как медицинские имплантаты, RFID-метки, носимая и портативная электроника. Bosch, Dyson, Hyundai — все крупные игроки всерьёз интересуются технологией и уже внедряют опытно на своих производствах и демонстрационных площадках.
Литий-ионный аккумулятор с кремниевым анодом (Nano-Composite Silicon, NCS, Titan Silicon Battery, Li-ion Silicon)
- Статус: выпускается коммерчески.
- Выпускают: Sila Nanotechnologies, Group14 Technologies, Amperex Technology, Enovix Corporation, CATL, TDK.
Сейчас у литий-ионных батарей аноды графитовые. Иногда производители раскошеливаются на применение графена — это помогает избежать неприятностей при небольшом увеличение предельного напряжения заряда (чтобы оно всё не взорвалось случайно). На такие меры, например, идут Huawei и Samsung во флагманских моделях смартфонов.
Кремний помогает добиться тех же целей меньшими потерями в финансах. То есть аноды кремниевого типа просто альтернатива графиту и графену в небольшом увеличении ёмкости. Но в теории, если учёные будут умничками, то ёмкость можно поднять в 2-3 раза!
✅ Большая ёмкость и быстрая зарядка по сравнению с традиционными графитовыми анодами.
Сейчас производители сражаются с лютым недостатком. Анод из кремния немного изменяется в объёме и буквально трещит по швам, когда насыщается ионами. Он нестабилен.
Чтобы исправить такой «нюанс», ведущие НИОКР перешли на использование наноструктурированного кремния (у Sila Nanotechnologies материал получил брендовое название Titan Silicon). Также в коммерческих описаниях упоминается применение композитных материалов с углеродом и специальных электролитов.
❌ Значительное изменение объёма кремния при циклировании, что приводит к деградации анода и сокращению срока службы.
Небольшие химические хитрости позволили увеличить ёмкость литий-ионных аккумуляторов и ускорить зарядку в батареях Sila Nanotechnologies и Group14 Technologies. Эти решения оказались востребованы на рынке.
Применение:
- NCS-аноды вошли в основу батареи для фитнес-трекера Whoop 4.0, ещё этот же принцип применяется в аккумуляторах Mercedes-Benz EQG SUV.
- Кремний-углеродные композитные анодные материалы используются в элементах тяговой батареи Porsche Taycan.
- На 3D-архитектуру анодов разработки Enovix Corporation позарились владельцы опытной авиации и БПЛА — сейчас ведутся закупки образчиков.
- И ещё Amperex объявила о возможности использования таких анодов в мобильных гаджетах, под которые эта компания завоевала лидирующую позицию среди всех поставщиков Li-Polymer и Li-ion ячеек.
- Про формирующийся тренд кремниевых батарей в смартфонах ранее писали на «4PDA» — узнайте подробности.
Натрий-ионные аккумуляторы (Na-ion, Sodium-ion Battery, SIB)
- Статус: выпускается коммерчески.
- Выпускают: CATL, HiNA, Northvolt, Faradion Limited, Natron Energy, Pylotech.
Натрий-ионные аккумуляторы — это самая дешёвая альтернатива литий-ионным (прежде всего, то есть литий-железо-фосфатным LiFePO4, LFP). Выгоднее в разы при сравнимых характеристиках. И только. Ничего, в общем-то, крутого и высокотехнологичного они не дают.
✅ Дешевле и доступнее литий-ионных, теоретически более экологичны.
В СМИ и публикациях статистики всё чаще упоминается снижение цен на аккумуляторы данного типа. Конкуренция на рынке очевидно растёт. Косвенно такие факты подтверждают широкое распространение Na-ion аккумуляторов там, где это возможно. Но возможно не везде из-за проблем с энергоёмкостью.
❌ Меньшая энергоёмкость и плотность энергии по сравнению с литий-ионными.
Вам придётся установить аккумулятор Sodium-ion значительно большего размера взамен LiFePO4. И скорее всего придётся либо изменять конструкцию устройства, либо согласиться на меньшую ёмкость ради сохранения штатных габаритов батареи. То есть при переходе с LFP на SIB, последняя будет работать меньше по времени.
Учёные работают над этим. Сейчас их волнует оптимизация состава электролита и структуры электродов. Тем самым вроде как удалось добиться повышения энергоёмкости.
По крайней мере им уже не нужно волноваться за срок службы в циклах. На коммерческих элементах производители смогли приблизиться по жизненному циклу к LFP (который немаленький у литий-железо-фосфата, мягко говоря — 10-20 лет).
Применение:
- CATL производит Na-ion аккумуляторы для электромобилей BYD и стационарных систем хранения энергии.
- HiNa Battery также активно развивает это направление.
- Faradion Limited фокусируется на Na-ion аккумуляторах для промышленного транспорта.
***
Технологии литий-серных, литий-ионных твердотельных и с кремниевым анодом, натрий-ионных аккумуляторов уже на рынке. Это свершилось и пошло в коммерцию.
Они ещё и активно развиваются. Просто потому что там есть существенные недостатки. Исследования направлены на их преодоление.
В ближайшие годы этот список будет пополняться. Мы рассматривали, какими именно разработками разживётся аккумуляторный рынок. Почитайте по ссылкам ниже, если интересно.
