Аккумуляторы с твердым электролитом (твердотельные батареи): какие преимущества и когда их ждать

Мы принимаем многие технологии вокруг нас как должное. Например, микрокомпьютеры для телефонов, которые работают без подзарядки целый день. Но хочется, чтобы телефон работал 3-4 дня без подзарядки. Или электромобиль, который сможет проехать 1000 километров, зарядиться за считанные минуты … и стоить дешевле, чем автомобиль с ДВС. В течение многих лет было много разговоров вокруг твердотельных батарей, но как сейчас обстоят дела? И сколько еще нам нужно дожидаться, пока твердотельные батареи закрепятся в бытовых устройствах?

Самым свежим примером является Toyota, которая анонсировала презентацию автомобиля с твердотельным аккумулятором на время зимних Олимпийских игр.

Литий-ионные аккумуляторы, которые мы используем сегодня, какими бы отличными они ни были, имеют определенные недостатки, которые твердотельные аккумуляторы пытаются решить.

Чтобы понять эти недостатки, нам нужно взглянуть на основные компоненты батареи. Есть положительный электрод (катод), формулу которого обычно можно записать следующим образом: Никель-Кобальт-Алюминий (NCA). Также еще есть разделитель, который сохраняет его изолированным от отрицательной части — анода, который обычно является соединением углеродного материала, такого как графит. Наконец, все это заливается жидким электролитом, который обеспечивает свободный поток ионов туда-сюда между анодом и катодом во время зарядки и разрядки.

Можно заменять различные химические составы для катода и анода, но жидкие или гелевые электролиты в большинстве батарей, которые мы используем сегодня, очень легко воспламеняются. Такое может произойти из-за производственных дефектов или повреждения ячейки, но существует еще одна проблема, которая называется дендритами. Металл накапливается на аноде и медленно создает наросты, похожие на сталактит, способные проколоть разделитель между анодом и катодом. В таком случае батарея может взорваться.

Итак, как же твердотельная батарея решает эту проблему? У нее жидкий электролит заменен на твердый. Чаще всего это керамический или стеклообразный электролит. Эти твердые электролиты не горючи, что значительно улучшает безопасность.

Но еще большим преимуществом твердых электролитов является возможность использования других материалов для анода, таких как металлический литий, который имеет самую высокую теоретическую емкость хранения.

Фактически, металлический литий был использован в первых исследованиях ионно-литиевых батарей в 1979 году. Однако, одна из причин, по которой мы не используем металлический литий в батареях сейчас, заключается в том, что они страдают от роста этих самых дендритов.

В последние годы было проведено много интересных исследований, которые заявляют о решении 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 от MIEC. Трубки наполнены металлическим литием, который образует анод. Ключевая часть этого открытия заключается в том, что сотовая структура дает пространство для металлического лития 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 какую-либо жидкость или гель, а следовательно позволяет избегать роста 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 с жидкими электролитами. Каждая сторона керамического электролита покрыта сверхтонким слоем оксида алюминия, который помогает уменьшить сопротивление. Прототип батареи имеет энергоемкость около 300 Ватт часов/кг и способен заряжаться за 5 — 10 минут. Для сравнения: современные аккумуляторы NCA достигают энергоемкости около 250 Ватт часов/кг.

IBM и Daimler объявляли о «прорывной» твердотельной батарее, которая использовала квантовые вычисления IBM для химического состава батарей, в которых не используются проблемные металлы, вроде никеля или кобальта. Однако в отличие от других громких заявлений, они не предоставили подробностей, которые можно было бы объяснить или проверить. Все, что мы знаем, это то, что они сообщили. Например, что батарея может заряжаться до 80% за 5 минут и соответствовать плотности энергии современных литий-ионных батарей. Это объявление было встречено с большим скептицизмом из-за полного отсутствия деталей.

«Стеклянная батарея» Гудэнафа не использует кобальт, и литий может заменить легко доступный натрий. Это означает, что такие батареи могут стать биологически разлагаемыми в какой-то момент. И, как вы, наверное, догадались эта батарея использует стеклянный электролит. Батарея выдерживает более 23 000 циклов зарядки и разрядки, что является огромным улучшением по сравнению с несколькими тысячами циклов типичного литий-ионного элемента.

Всё это замечательно, но на повестке всё тот же вопрос «когда?». Когда мы наконец увидим твердотельные батареи на рынке? Мы годами слышали об открытиях в области твердотельных аккумуляторов, но до сих пор их не видели.

Существует солидный разрыв между исследованиями в лаборатории и коммерческим продуктом на рынке. Часто звучат обещания, что такой продукт появится в течение года или двух. Именно такие сроки звучали в вышеупомянутой ситуации с IBM. Они стали партнерами с Mercedes Benz R&D North America, японской химической компанией Central Glass и стартапом по производству аккумуляторов Sidus для тестирования батареи. В цитате из интервью IEEE Spectrum сказано:

IBM создала прототипы аккумуляторных батарей в лаборатории, которые дали им уверенность полагать, что они смогут разработать коммерческий продукт для ограниченного применения (например, портативные электроинструменты) в течение одного-двух лет

На выставке CES в этом году Mecedes продемонстрировала концепт-кар AVTR, изготовленный из экологически чистых материалов, а также имеющий аккумулятор, полностью пригодный для вторичной переработки. В интервью старший менеджер по исследованиям аккумуляторных батарей Mercedes Андреас Хинтеннах заявил, что технология аккумуляторов в настоящее время проходит лабораторные испытания, и будет готова через 10-15 лет.

CATL (китайский аккумуляторный партнер Tesla) также произвела образец твердотельной батареи, но они также сообщали, что он не появится на рынке до 2030 года.

Важно понимать насколько сложно перейти от лаборатории к эффективному промышленному производству в огромных масштабах. Интересно, что прошло более десяти лет между разработкой литий-ионных аккумуляторов и созданием первого доступного на рынке продукта от Sony. Даже Джон Гудэнаф считает, что пройдет 5-10 лет, прежде чем твердотельные батареи станут коммерчески успешными.

Даже анонсированное Тойотой появление на Олимпийских играх автомобиля на твердотельных батареях является аналогичным показателем. Руководитель отдела исследований и разработок Toyota сказал следующее:

Мы изготовим автомобиль с твердотельными батареями и представим его вам в 2020 году, но массовое производство с твердотельными батареями будет немного позже

И под «немного позже» он имеет в виду не раньше середины 2020-х годов. Сейчас мы находимся на продолжительной средней фазе исследований в области твердого электролита, когда происходят попытки применить лабораторные исследования на реальном производстве.

Джон Гудэнаф сотрудничает в этой сфере с Hydro-Québec. Техасскому университету в Остине принадлежат патенты на его «стеклянную батарею», но он сотрудничает с Hydro-Quebec, чтобы добиться выхода батареи на рынок в конкурентоспособном виде.

Немаловажно, что Hydro-Quebec работает с Техасским университетом в течение 25 лет и помог разработать литий-железо-фосфатную батарею Джона Гудэнафа.

Скорее всего, мы увидим, что технология твердотельных батарей появится на рынке небольшими партиями в очень ограниченном количестве. Сложность производства и его стоимость означает, что технология, скорее всего, будет использоваться в небольших форм-факторах, вроде смартфонов и умных часов.

По мере совершенствования производственного процесса мы начнем видеть её в более масштабных продуктах вроде электромобилей.

Как только это произойдет, мир сильно изменится в бытовой электронике, медицине и электромобилях. Мы сможем заряжать телефоны и машины за считанные минуты, а не часы. Но самое большое преимущество по словам Джон Гуденофа в следующем:

«Современное общество зависимо от энергии. Мы должны найти способ избавиться от зависимости ископаемого топлива, чтобы мы могли опереться на солнечную энергию. И батарея является одним из способов эффективного хранения электроэнергии. Нужно найти способ обойти проблемы нынешней литий-ионной батареи. И я надеюсь, что мы нашли решение этого. У нас есть безопасная, полностью твердотельная батарея с высокой плотностью энергии, которую очень дешево изготовить. Так же, как литий-ионная батарея принесла нам революцию в беспроводной связи. Теперь у нас будет возможность хранить энергию в достаточно большом объеме при достаточно низких затратах, чтобы она могла конкурировать с нефтью.»

Твердотельные батареи могут привести нас в будущее, но пока нам нужно набраться немного терпения.

Поделись/сохрани ссылку: