Не забудь подписаться и поблагодарить нашу команду, приятного чтения!
Твердотельные аккумуляторы, по-видимому, станут следующим прорывом в области аккумуляторов для электромобилей благодаря более высокой плотности энергии, более быстрой зарядке и повышенной безопасности.
- Твердотельные элементы обещают более быструю зарядку, повышенную безопасность и более высокую плотность энергии.
- Они заменяют жидкий электролит в современных литий-ионных элементах питания на твёрдый сепаратор.
- Honda, Toyota и другие компании надеются использовать твердотельные аккумуляторы в автомобилях, которые поступят в продажу до 2030 года.
Достижения в области аккумуляторных технологий — как для бытовой электроники, так и для электромобилей — в основном носят постепенный характер и наблюдаются с момента появления современных литий-ионных аккумуляторов почти 30 лет назад. Три фактора в совокупности снижают затраты примерно на 8 процентов в год: изменения в химическом составе аккумуляторов, повышение производительности на заводах по производству аккумуляторов и эффект масштаба при крупносерийном производстве.
Давний Святой Грааль
Следующим большим прорывом в области аккумуляторов могут стать твердотельные элементы, которые долгое время были «Святым Граалем» для инженеров-разработчиков аккумуляторов по всему миру. Они обладают большей плотностью энергии, быстрее заряжаются и более безопасны, чем элементы с жидкими электролитами. Некоторые из них полностью отказываются от современных графитовых анодов — вещества, производство и поставка которого полностью контролируются китайскими производителями.
Насколько велики преимущества? Согласно тому, что Toyota объявила о своих планах по использованию аккумуляторов в будущем, установка с твердотельным аккумулятором может увеличить запас хода почти на 70 процентов и сократить время быстрой зарядки постоянным током с 30 до 10 минут на 10–80 процентов. Хотя на любые заявления о запасе хода существенно влияют характеристики базового транспортного средства, такие как вес и аэродинамика.
Разработка твердотельных аккумуляторов привела к тому, что десятки компаний по всему миру за последние полтора десятилетия потратили на исследования и разработки десятки миллиардов долларов. Теперь эта цель может стать ближе. Несколько автопроизводителей по всему миру объявили о пилотных проектах, прототипах или других достижениях в области твердотельных аккумуляторов. Ожидается, что в ближайшие несколько лет темпы будут нарастать.
Множество типов «твердого состояния»
Поскольку «твёрдое состояние» стало модным словечком du jour в сфере аккумуляторов, полезно понять, чем твёрдотельный элемент отличается от современных элементов с жидкими электролитами. Проблема усугубляется тем, что «нет единого мнения о том, что такое твёрдое состояние», — отмечает Хареш Камат, который разрабатывал аккумуляторные элементы для космических аппаратов в компании Lockheed Martin. (В настоящее время он является директором по распределенным энергетическим ресурсам и хранению энергии в Институте исследований электроэнергетики, или EPRI, независимой некоммерческой исследовательской организации для электроэнергетической отрасли США.)
Другими словами, относитесь к любым упоминаниям о твердотельных элементах для электромобилей, будь то от автопроизводителя или компании-разработчика аккумуляторов, с долей скептицизма, пока не углубитесь в детали.
В широком смысле термин «твёрдое состояние» относится к использованию твёрдого материала в качестве сепаратора, который не позволяет аноду и катоду соприкасаться, а также в качестве среды, через которую проходят электроны при разряде или зарядке элемента. Жидкий электролит в современных элементах, представляющий собой легковоспламеняющийся органический растворитель, поглощается тремя материалами (анодом, катодом и сепаратором), которые имеют губчатую структуру. В отличие от свинцово-кислотного стартерного аккумулятора, в элементе нет избытка жидкости, только столько, сколько нужно для смачивания электродов.
Потеря жидкого электролита
Между современными жидкими электролитами и полностью твёрдотельными элементами будущего существует несколько вариантов сепараторов и сред:
- Полутвёрдые электролиты в квазитвёрдых элементах, из которых наиболее известны так называемые литий-полимерные аккумуляторы (с использованием жидкого электролита, заключённого в полимеризованный гель).
- Высокотемпературные, нерасплавляющиеся, проводящие ионы полимеры (были тщательно протестированы десять лет назад).
- Полимеры с керамическим покрытием, также требующие высоких рабочих температур.
- Чистая керамика (оксиды, сульфиды, фосфаты) или стекло в качестве твёрдого электролита также требуют высоких температур.
Последние три метода позволяют использовать металлические аноды из лития с катодом из литированного оксида металла (оксида никеля, оксида алюминия, оксида марганца, оксида кобальта или их смеси) или фосфата железа.
В качестве альтернативы можно использовать металлический литий в качестве катода с твёрдым сепаратором, что позволяет создавать так называемые «ячейки без анода»: в них анод заменяется медным токоотводом, на который во время зарядки осаждается металлический литий. Это устраняет необходимость в графите — веществе, на долю которого в настоящее время приходится основная часть мирового производства.
Но металлический литий сам по себе представляет опасность. Твердый металлический литий легко воспламеняется при любой температуре и бурно реагирует с влагой, водой или паром. Любой производитель аккумуляторов, использующий твердый литий, будет находиться под пристальным вниманием, чтобы доказать, что его новые аккумуляторы по крайней мере так же безопасны, как и сегодняшние, не говоря уже о том, чтобы подтвердить заявления о гораздо большей безопасности.
Ускоряющийся темп распространения новостей
Последние новости о твердотельных технологиях включают в себя ноябрьское заявление компании Honda о том, что она создаст испытательную производственную линию для твердотельных элементов, чтобы понять, какие материалы и процессы обеспечат конкурентоспособные по цене большие объёмы производства для новой технологии.
В октябре компания Stellantis заявила, что её партнёр Factorial будет тестировать свои «полутвёрдые» элементы питания в реальных условиях на электромобилях Dodge Charger Daytona — но не раньше 2026 года. Эти элементы питания оснащены «квазитвёрдым электролитом» с литиевым анодом (а не графитовым).
Китайский производитель Chery заявил China Car News, что он находится в процессе создания первой в мире линии по производству полностью твердотельных аккумуляторов мощностью более 1 гигаватт-часа (достаточно для 100 000 электромобилей с аккумуляторными блоками мощностью 100 киловатт-часов) в Уху, провинция Аньхой. Компания также представила планы по созданию двух следующих поколений твердотельных аккумуляторов. Это делается в рамках совместного предприятия Anhui Anwa New Energy Technology, основанного в 2020 году совместно с китайским производителем аккумуляторов Gotion и различными японскими и тайскими партнёрами.
Метод проб и ошибок Смиряет Сильных мира сего
Тем не менее, как и в случае с любым передовым достижением в области электрических или электронных технологий, переход от лабораторных испытаний к серийному производству электромобилей с твердотельными батареями — это очень, очень сложный процесс. Из каждых 100 многообещающих лабораторных испытаний аккумуляторов в целом, возможно, только одно приведёт к созданию прототипа, а ещё меньше — к крупносерийному производству. Toyota усвоила этот урок 15 лет назад, когда не смогла произвести литий-ионный аккумулятор, который она выбрала для Toyota Prius третьего поколения 2010 года, и была вынуждена вернуться к проверенным 15-летним никель-металлогидридным аккумуляторам.
Toyota уже давно является сторонником твердотельных аккумуляторов. Компания заявила, что, по ее мнению, электромобили не будут пригодны для массового использования, пока не появятся твердотельные аккумуляторы. Но даже могущественная Toyota с трудом внедряет твердотельные аккумуляторы в производство. Впервые она представила прототип твердотельного аккумулятора 15 лет назад, в декабре 2010 года. На протяжении большей части 2010-х годов компания заявляла, что твердотельные аккумуляторы будут запущены в производство к 2020 году. В конце 2023 года компания объявила, что эта дата перенесена на 2027 год.
После того как новые аккумуляторы будут запущены в производство, потребуется целый процесс проверки, прежде чем автопроизводители смогут использовать их в серийных автомобилях. Твердотельные аккумуляторы, скорее всего, будут продаваться по более высокой цене, чем обычные литий-ионные аккумуляторы; ключевым моментом будет обеспечение их конкурентоспособности по цене с сегодняшними аккумуляторами. Honda утверждает, что ее твердотельные аккумуляторы будут производиться с использованием методов, аналогичных стандартному производственному процессу для литий-ионных аккумуляторов с жидким электролитом.
Клетки и автомобили: до конца 2020-х?
Шива Сиварам, генеральный директор стартапа QuantumScape, занимающегося разработкой полностью твердотельных аккумуляторов, сказал в интервью Reuters в декабре, что, по его мнению, «в 2025 году как минимум две компании объявят о том, что у них есть твердотельный аккумулятор. А к концу 2025 года кто-нибудь объявит, что они планируют выпустить автомобиль с твердотельными аккумуляторами... [хотя] они не скажут вам, когда именно».
И, осторожно добавил он, "Твердотельные аккумуляторы будут производиться в больших объемах в конце этого десятилетия".
Сыграют ли свою роль китайцы? «Я не думаю, что [чистые твердотельные элементы] будут производиться в Китае», — сказал он. (Китайские производители элементов и компании, выпускающие электромобили, несомненно, отличаются друг от друга.) Полное исключение графитовых анодов, как отметил Сиварам, противоречит одной из сильных сторон Китая в производстве аккумуляторов для электромобилей. Это избавит производителей аккумуляторов от необходимости использовать материал, поставки которого в настоящее время контролируются Китаем.
Таким образом, судя по темпам анонсов, твердотельные аккумуляторы действительно появятся в электромобилях, которые будут продаваться в Северной Америке, возможно, до 2030 года. Но мы бы не стали делать ставку на какой-то конкретный год, когда это произойдёт, — по крайней мере, пока.
