Почему твердотельные батареи электромобилей лучше литий-ионных аналогов?

Мы воспринимаем многие технологии вокруг нас как должное. Например, микрокомпьютеры для телефонов, которые работают без подзарядки целый день. Но ведь хочется, чтобы телефон работал 3-4 дня без подзарядки. Или электромобиль, который может проехать 1000 километров, зарядился бы за считанные минуты… и стоил дешевле, чем автомобиль с бензиновым двигателем. Многие годы уже идут разговоры о твердотельных батареях, но как сейчас обстоят дела? И сколько еще нужно ждать, пока твердотельные батареи окажутся внутри наших устройств?

Самым свежим примером является Toyota, анонсировавшая автомобиль с твердотельным аккумулятором во время зимних Олимпийских игр. Литий-ионные аккумуляторы, которые мы используем сегодня, какими бы замечательными они ни были, имеют определенные недостатки, которые твердотельные аккумуляторы пытаются решить.

Что у них общего?

Оба типа используют литий для производства электрической энергии и их общая структура весьма похожа. Проще говоря, у них есть анод (отрицательный электрод), катод (положительный электрод) и электролит.

Их основное отличие заключается в состоянии электролита, который помогает переносить ионы от катода к аноду при зарядке и наоборот при разрядке. Другими словами, электролит регулирует протекание электрического тока между отрицательной и положительной стороной батареи. Если в литий-ионных батареях используются жидкие электролиты, то в твердотельных батареях, как следует из их названия, используются тонкие слои твердого электролита.

Почему это важно?

Твердые электролиты имеют ряд существенных преимуществ:

1. Безопасность: жидкие электролиты летучие и легко воспламеняются при высоких температурах. В отличие от них, твердые электролиты стабильны и снижают риск возгорания или взрыва.
2. Высокая плотность энергии и более быстрая зарядка: повышенная стабильность означает, что твердотельные батареи могут хранить на 50% больше энергии, чем их литий-ионные аналоги, при этом ожидается, что они достигнут 80% заряда в течение 12 минут.

Слева мы видим структуру литий-ионного аккумулятора, а справа – структуру твердотельного аккумулятора.

3. Меньший вес и размер: в то время, как жидкость внутри литий-ионных батарей делает их тяжелее, компактная структура твердотельных батарей позволяет увеличить плотность энергии на единицу площади, а это означает, что требуется меньшее количество батарей.

Заменят ли твердотельные батареи литий-ионные?

Теоретически, да, или, по крайней мере, именно в этом направлении все идет. На самом деле, многие автопроизводители уже инвестируют в эту технологию, включая Volkswagen, Toyota, Ford и BMW. Однако на практике ячейки твердотельных батарей производятся в единичных экземплярах в лабораториях, и довести их до массового производства – дорогая и пока еще недостаточно проработанная задача.

Трудно разработать твердый электролит, который был бы одновременно стабильным, химически инертным и хорошим проводником ионов между электродами. Кроме того, электролиты слишком дороги в производстве и склонны к растрескиванию при использовании из-за их хрупкости при расширении и сжатии. Но, возможно, по мере того, как литий-ионные батареи постепенно становятся все более доступными, это все же произойдет.

Какие исследования уже были?

В последние годы было проведено много интересных исследований, которые ставили целью решение этой проблемы. Исследователи MIT разработали так называемые смешанные ионно-электронные проводники (MIEC), а также электронные и литий-ионные изоляторы (ELI). Это трехмерная сотовая архитектура с наноразмерными трубками MIEC. Трубки наполнены литием, который образует анод. Ключевая часть этого открытия заключается в том, что сотовая структура дает простор литию расширяться и сжиматься во время зарядки и разрядки. Такое «дыхание» аккумулятора позволяет избегать трещин. Покрытие трубок ELI действует как барьер, защищающий их от твердого электролита. Вот такая структура твердотельной батареи избавляет нас от необходимости добавлять любую жидкость или гель, а следовательно позволяет избегать дендритов.

Компания под названием Ion Storage Systems разработала сверхтонкий керамический электролит толщиной около 10 микрометров, примерно такой же толщины, как современные пластиковые разделители, которые используют жидкие электролиты. Каждая сторона керамического электролита покрыта супер-тонким слоем оксида алюминия, который помогает уменьшить сопротивление. Прототип батареи имеет энергоемкость около 300 Вт·час/кг и способен заряжаться за 5-10 минут. Для сравнения: современные аккумуляторы NCA достигают энергоемкости около 250 Вт·час/кг.

На выставке CES этого года Mecedes продемонстрировала концепт-кар AVTR, изготовленный из экологически чистых материалов, который оснащен аккумулятором, полностью пригодным для вторичной переработки. В интервью старший менеджер по исследованиям аккумуляторных батарей Mercedes Андреас Хинтеннах заявил, что технология аккумуляторов сейчас проходит лабораторные испытания, и будет готова через 10-15 лет. CATL (китайский аккумуляторный партнер Tesla) также разработала образец твердотельной батареи, но они сообщили, что она не появится на рынке до 2030 года.

Ожидается, что постоянное производство твердотельных батарей будет налажено с 2025 года, но сначала не для автомобильной промышленности.