Мировая автомобильная промышленность замерла в ожидании энергетической революции. Инженеры и ученые ведут невидимую, но ожесточенную борьбу за создание идеального аккумулятора, который позволил бы электромобилю проезжать тысячу километров на одном заряде и восполнять энергию за время, пока водитель пьет кофе.
Решением этой задачи призваны стать твердотельные батареи. Однако за общим термином «твердый электролит» скрывается фундаментальное противостояние совершенно разных классов материалов, каждый из которых имеет свой набор уникальных достоинств и фатальных недостатков.
Главный вызов, с которым столкнулись разработчики, кроется не столько в химии, сколько в физике контакта. В привычных нам литий-ионных аккумуляторах электролит жидкий. Эта жидкость работает идеально: она пропитывает пористые электроды, словно вода губку, обеспечивая ионам лития беспрепятственный доступ к каждой частице активного вещества. Когда же мы убираем горючую жидкость и заменяем ее твердым телом, возникает проблема «твердое-твердое».
Попробуйте прижать два камня друг к другу: даже если они кажутся ровными, на микроуровне они будут соприкасаться лишь вершинами неровностей, оставляя между собой пустоты. Ионы лития не умеют летать через воздух, им нужен материальный мост. Обеспечить такой идеальный контакт между твердым электролитом и электродами, сохраняя его на протяжении тысяч циклов расширения и сжатия батареи, – это сложнейшая инженерная задача.
Первым претендентом на трон стали оксидные керамики, наиболее известным представителем которых является материал со сложной аббревиатурой LLZO (литий-лантан-циркониевый оксид).
Керамика обладает великолепной стабильностью и позволяет использовать высоковольтные катоды, что значительно повышает энергоемкость. Она твердая, как камень, и столь же безопасная – ее практически невозможно воспламенить. Однако именно твердость является ее ахиллесовой пятой.
Керамические электролиты чрезвычайно хрупки и жестки. При попытке плотно прижать их к электроду они не деформируются, создавая плохой контакт, а при малейшем механическом напряжении или попытке согнуть батарею керамический слой может просто треснуть. Изготовление таких батарей требует высокотемпературного спекания, что усложняет производственный процесс и делает его дорогим. Керамика – это надежный щит, но слишком тяжелый и неудобный для маневренной войны за эффективность.
На другом полюсе находятся полимерные электролиты. Это материалы, напоминающие пластик, которые легко раскатываются в тонкие пленки и дешевы в производстве. Полимеры мягкие и эластичные, они легко решают проблему контакта, буквально обволакивая электроды и выдерживая любые деформации корпуса. Технология их производства хорошо совместима с существующими линиями, что делает их фаворитами с экономической точки зрения.
Но у полимеров есть критический недостаток – низкая ионная проводимость при комнатной температуре. Чтобы заставить ионы двигаться сквозь полимерную матрицу с приемлемой скоростью, батарею необходимо нагревать до 60–80 градусов Цельсия. Это требует дополнительных затрат энергии на систему терморегуляции и делает невозможным «холодный старт» автомобиля зимой без предварительного прогрева. Поэтому полимеры, несмотря на дешевизну, проигрывают гонку за сверхбыстрой зарядкой.
Лидерами в борьбе за 10-минутную зарядку на сегодняшний день стали сульфидные электролиты. Именно на них делают ставку такие гиганты, как Toyota и CATL.
Сульфиды – это своеобразный компромисс, сочетающий лучшие качества конкурентов. Они представляют собой стеклокерамику, которая, в отличие от оксидов, является сравнительно мягкой. Под давлением сульфидный электролит способен деформироваться, обеспечивая плотный контакт с электродами без необходимости высокотемпературного спекания – достаточно простого прессования.
Но главное их свойство граничит с магией: ионная проводимость сульфидов зачастую выше, чем у жидких электролитов. Это означает, что ионы лития перемещаются внутри твердого сульфида быстрее, чем в жидкости, что и открывает путь к экстремально быстрой зарядке огромными токами без перегрева.
Платой за эти выдающиеся характеристики является исключительная капризность сульфидов в производстве. Эти материалы химически нестабильны на воздухе: при малейшем контакте с влагой из атмосферы они гидролизуются, выделяя сероводород – чрезвычайно токсичный газ с запахом тухлых яиц.
Это накладывает жесточайшие требования к производственным помещениям, которые должны быть оборудованы инертной атмосферой или «сухими комнатами» с практически нулевой влажностью.
Сложность и стоимость создания таких фабрик огромны, но именно сульфидная технология на данный момент является единственной, способной реально обеспечить сочетание высокой емкости, безопасности и той самой 10-минутной зарядки, о которой мечтает рынок.
Андрей Повный, редактор сайта "Школа для электрика"
Новые разработки и исследования в области аккумуляторов, перспективные материалы и технологии
Химия будущего: какие материалы заменят литий в аккумуляторах следующего поколения?
Как искусственный интеллект открывает новые горизонты для батарей будущего
Телеграмм каналы для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное:
Упростите расчеты электрических цепей с помощью удобного приложения:
Онлайн-калькулятор по электротехнике
Интерактивное веб-приложение: Обучение теоретическим основам электротехники (ТОЭ)
Онлайн-калькулятор освещения: Калькулятор освещения LED-светильниками
Интерактивный инструмент для изучения возобновляемой энергетики: Симулятор микросетей
Для повышения вашей продуктивности: Таймер по методу Pomodoro
Подписывайтесь на наш канал! Электрик Инфо в Яндекс Дзен
