Чому твердотільні батареї електромобілів краще своїх літій-іонних аналогів?

Ми сприймаємо багато технологій навколо нас як належне. Наприклад, мікрокомп’ютери для телефонів, які працюють без підзарядки цілий день. Але ж хочеться, щоб телефон працював 3-4 дні без підзарядки. Або електромобіль, який може проїхати 1000 кілометрів, зарядитися за лічені хвилини … і коштувати дешевше, ніж автомобіль з бензиновим двигуном. Протягом багатьох років було багато розмов щодо твердотільних батарей, але як зараз йдуть справи? І скільки ще нам потрібно чекати, доки твердотільні батареї опиняться всередині наших пристроїв?

Найсвіжішим прикладом є Toyota, яка анонсувала автомобіль з твердотільним акумулятором під час зимових Олімпійських ігор. Літій-іонні акумулятори, які ми використовуємо сьогодні, якими б чудовими вони не були, мають певні недоліки, які твердотільні акумулятори намагаються вирішити.

Що у них спільного?

Обидва типи використовують літій для виробництва електричної енергії і їх загальна структура досить схожа. Простіше кажучи, вони мають анод (негативний едектрод ), катод (позитивний електрод) і електроліт.

Їх основна відмінність полягає в стані електроліту, який допомагає переносити іони від катода до анода при зарядці та навпаки при розрядці. Іншими словами, електроліт регулює протікання електричного струму між негативною і позитивною сторонами батареї. Якщо в літій-іонних батареях використовуються рідкі електроліти, то в твердотільних батареях, як випливає з їх назви, використовуються тонкі шари твердого електроліту.

Чому це важливо?

Тверді електроліти мають ряд істотних переваг:

1. Безпека: рідкі електроліти летючі і легко спалахують при високих температурах. На відміну від них, тверді електроліти стабільніші і знижують ризик пожеж або вибуху.
2.  Вища щільність енергії і швидший час зарядки: підвищена стабільність означає, що твердотільні батареї можуть зберігати на 50% більше енергії, ніж їх літій-іонні аналоги, при цьому очікується, що вони досягнуть 80% заряду протягом 12 хвилин.

Ліворуч ми бачимо структуру літій-іонного акумулятора, а праворуч – структуру твердотільного акумулятора.

3. Менша вага і розмір: у той час, як рідина всередині літій-іонних батарей робить їх важче, компактна структура твердотільних батарей дозволяє збільшити щільність енергії на одиницю площі, що означає, що потрібна менша кількість батарей.

Чи замінять твердотільні батареї літій-іонні?

Теоретично, так, або, принаймні, саме в цьому напрямку все йде. Насправді багато автовиробників вже інвестують в цю технологію, включаючи Volkswagen, Toyota, Ford і BMW. Однак на практиці осередки твердотільних батарей виробляються по одній в лабораторіях, і довести їх до масового виробництва – дороге і поки ще недостатньо опрацьоване завдання.

Важко розробити твердий електроліт, який був би одночасно стабільним, хімічно інертним і гарним провідником іонів між електродами. Крім того, електроліти занадто дорогі у виробництві і схильні до розтріскування через їх крихкість при розширенні і стисненні під час використання. Але, можливо, в міру того, як літій-іонні батареї поступово стають все доступнішими, це все ж таки станеться.

Які дослідження вже були?

Останніми роками було проведено багато цікавих досліджень, які ставили за мету розв’язання цієї проблеми. Дослідники MIT розробили так звані змішані іонно-електронні провідники (MIEC), а також електронні та літій-іонні ізолятори (ELI). Це тривимірна стільникова архітектура з нанорозмірними трубками MIEC. Трубки наповнені літієм, який утворює анод. Ключова частина цього відкриття полягає в тому, що стільникова структура дає простір літію розширюватися і стискатися під час зарядки і розрядки. Таке «дихання» акумулятора дозволяє уникати тріщин. Покриття трубок ELI діє як бар’єр, що захищає їх від твердого електроліту. Ось така структура твердотільної батареї позбавляє нас від необхідності додавати будь-яку рідину або гель, а отже дозволяє уникати дендритів.

Компанія під назвою Ion Storage Systems розробила надтонкий керамічний електроліт товщиною близько 10 мікрометрів, приблизно такої ж товщини, як сучасні пластикові роздільники, які використовують рідкі електроліти. Кожна сторона керамічного електроліту покрита супер-тонким шаром оксиду алюмінію, який допомагає зменшити опір. Прототип батареї має енергоємність близько 300 Вт·год/кг і здатний заряджатися за 5-10 хвилин. Для порівняння: сучасні акумулятори NCA досягають енергоємності близько 250 Вт·год/кг.

На виставці CES цього року Mecedes продемонструвала концепт-кар AVTR, виготовлений з екологічно чистих матеріалів, який також має акумулятор, повністю придатний для вторинного перероблювання. В інтерв’ю старший менеджер з досліджень акумуляторних батарей Mercedes Андреас Хінтеннах заявив, що технологія акумуляторів зараз проходить лабораторні випробування, і буде готова через 10-15 років. CATL (китайський акумуляторний партнер Tesla) також розробила зразок твердотільної батареї, але вони повідомляли, що він не з’явиться на ринку до 2030 року.

Очікується, що постійне виробництво твердотільних батарей буде налагоджено з 2025 року, але спочатку не в автомобільній промисловості.

Читайте також:

• Великий акумулятор і швидка зарядка поки не можуть співіснувати
• Розроблено новий тип швидкої зарядки: літієві батареї заряджатимуться за 10 хв