Пожалуй, один из наиболее ожидаемых в последние годы технологических прорывов — это создание твердотельных аккумуляторов. Их ждут производители и eVTOL’ов, и электромобилей, и портативных устройств. Поэтому инвесторы вкладывают солидные средства в компании-разработчики твердотельных батарей, ведь тот, кто первый овладеет технологией, овладеет миром электрических устройств (хотя, наверное, и ненадолго). Так почему же твердотельные аккумуляторы — это следующая ступень прогресса и почему нам уже недостаточно литий-ионных батарей?
Все дело в электролите
Что же представляет собой твердотельный аккумулятор? Как и в любых аккумуляторах, в том числе в повсеместно используемых сейчас литий-ионных (во всем множестве их разновидностей), используются катод и анод. Различие в электролите — веществе, в котором находятся катод и анод и по которому ионы лития «путешествуют» к аноду, создавая электрический ток.
Самый распространенный электролит для литий-ионных аккумуляторов — жидкий. Как правило, это соли лития, растворенные в органических растворителях. Жидкий электролит применяют практически в неизменном виде с момента изобретения литий-ионных аккумуляторов. Есть и усовершенствованные технологии, например в литий-полимерных электролит представляет собой своеобразную пропитку твердого полимерного сепаратора, разделяющего катод и анод. Такие аккумуляторы даже иногда называют твердотельными, но на самом деле они таковыми не являются.
В настоящих же твердотельных аккумуляторах электролит — это полимерный или композитный материал. У него может быть совершенно разный состав — тут сколько разработчиков, столько и вариантов. Одна только Toyota с 2010 по 2018 год зарегистрировала в США 203 патента, касающихся твердотельных батарей.
(Не) решенные проблемы
Чем же твердотельный аккумулятор лучше литий-ионного? Во-первых, в качестве материала анода используется не графит, а чистый литий (или другие металлы и соединения — повторим, что вариантов материалов очень много для каждой составляющей аккумулятора). Это позволяет уменьшить размеры батареи и увеличить время, в течение которого она держит заряд. Во-вторых, структура «катод — сепаратор — анод» в несколько раз тоньше, чем традиционная. Поэтому твердотельный аккумулятор будет более емким, чем литий-ионный того же размера.
Одной из существенных проблем литий-ионных аккумуляторов является образование дендритов — своеобразных «отростков» металлического лития на аноде. Такие отростки приводят к коротким замыканиям и повышают пожароопасность. У твердотельных аккумуляторов такой проблемы нет — следовательно, их срок службы дольше. Наконец, такие батареи можно заряжать за короткое время — например Qunatumscape представила аккумулятор, который заряжается с 10 до 80 % всего за 15 минут, в то время как современным электромобилям для этого потребуется до получаса.
Однако не все так радужно. У твердотельных батарей есть некоторые проблемы, решить которые пока не удается.
Так, пока продолжаются эксперименты по химическому составу катодов, анодов и электролитов с целью поиска наиболее безопасного сочетания материалов, такого, которое не перегревается, не вызывает коротких замыканий и пожаров.
Во время зарядки литиевые аноды расширяются, а при разряде сжимаются. Если для аккумуляторов с жидким электролитом это не большая проблема, то для твердотельных эти колебания размеров могут привести к деформации и разрушению. Впрочем, как раз для этой проблемы решение уже нашла компания Samsung.
Вопрос с химическим составом электролита пока окончательно не решен. Он должен быть стабилен, химически инертен и должен хорошо проводить ионы между катодом и анодом. Пока что получается, что все известные электролиты получаются очень дорогими в производстве и хрупкими.
Продолжаются поиски технологии, которая позволит аккумуляторам работать при низких температурах: пока что они более зависимы от этого фактора, чем литий-ионные. Неясно также, каков срок службы твердотельных аккумуляторов и превосходят ли они в этом литий-ионные. Из-за строения ячейки батареи с трудом поддаются диагностике, поэтому не так просто определить, насколько изменяется их емкость с течением времени.
Зачем всё это?
Почему же нас не устраивают литий-ионные аккумуляторы? Зачем искать новую технологию, а не совершенствовать старую?
Ожидается, что твердотопливные аккумуляторы позволят решить несколько проблем, с которыми сталкиваются в первую очередь производители электромобилей и eVTOL-аппаратов.
1. Уменьшат размер и массу аккумуляторного блока. Для летающих аппаратов это вообще критично, но и автопроизводителям доставляет неудобства. Так, инженеры Tesla вынуждены были разместить батареи под днищем автомобиля.
2. Сильно уменьшат время зарядки. Для конкуренции с двигателями внутреннего сгорания электромобиль должен заряжаться за время, сопоставимое с временем заправки на АЗС, то есть минут за пять — семь. Пока что «электрички» заряжаются сильно дольше.
3. Увеличат пробег на одной зарядке. За счет более высокой емкости твердотельные аккумуляторы потенциально способны «побить» пробег ДВС на одной заправке.
Пока что твердотельные аккумуляторы хорошо создаются в лабораториях, но не очень хорошо в промышленных масштабах. Впрочем, ожидается, что уже в течение ближайших трех лет будет запущено их массовое производство — по крайней мере, такой срок обещает SK Innovation. Если это случится, то компания получит большое преимущество на рынке, а весь мир сделает еще один шаг к полностью электрическому будущему.