Твердотельные батареи 2023, где мы?

(Zapoved) – Их называют Святым Граалем мобильных хранилищ и «смертным приговором» эндотермических двигателей, но должно пройти еще несколько лет, прежде чем они исчезнут на борту электромобилей. Давайте поговорим о твердотельные батареи, электрохимические запоминающие устройства, выдвинутые на передний план исследованиями Toyota в начале прошлого десятилетия. Японский производитель автомобилей был первым, кто провел обширные экспериментальные исследования этого типа аккумуляторной батареи, что вызвало новый глобальный интерес с участием университетов, исследовательских центров, стартапов и компаний. Вплоть до того, что сегодня мировой рынок твердотельных аккумуляторов 2023 года стоит более 13 миллионов долларов; и при нынешних темпах развития должно превысит один миллиард к концу 2030 года. С другой стороны, эта технология предлагает различные преимущества по сравнению с традиционными литий-ионными батареями, необходимые для успеха электронной мобильности, но интересные для хранения энергии в целом.

Как работает твердотельный аккумулятор?

Твердотельная батарея или твердотельная батарея, если использовать английскую терминологию, работает аналогично традиционной литий-ионной батарее. Электрохимическая ячейка состоит из двух электродов – анода и катода – и электролита. Последний, однако, вместо того, чтобы быть жидким, как это происходит в Li-ion, является твердым и также действует как сепаратор (роль, которая в литиевых батареях возложена на пористую мембрану, расположенную в центре элемента). В качестве электролита могут быть использованы керамические материалы, стекло или твердые суперионные проводники. И если в качестве катода, положительного электрода, можно использовать те же соединения литий-иона (например, LFP, NMC, LMO и т. д.), то анод в идеале также может быть изготовлен из простого металлического лития. Твердый электролит позволяет отказаться от традиционной углеродной структуры (обычно графита) на анодной части, с непосредственным накоплением металла на электроде.

С другой стороны, с функциональной стороны ничего не меняется: электрический поток создается ионами, которые движутся через электролит между катодом и анодом.

Преимущества твердотельных аккумуляторов

По сравнению с обычной литий-ионной перезаряжаемой батареей технология твердотельных литий-металлических аккумуляторов предлагает множество преимуществ, начиная с более высокой плотности энергии. Благодаря металлическому литию эти батареи могут хранить количество энергии даже в 2,5 раза больше, чем литий-ионные, при том же объеме, в результате чего устройство становится легче и меньше. Для электромобилей это означало бы еще один шаг вперед с точки зрения запаса хода и легкости. Не только. Твердые электролиты изготавливаются из негорючих материалов, поэтому их можно безопасно использовать при более высоких температурах. Эта функция также влияет на скорость перезарядки, время которой, как сообщается, сокращается до 6 раз.

Твердотельные батареи также имеют более длительный срок службы, поскольку они не страдают от потери емкости в результате нежелательной реакции между углеродом в аноде и жидким электролитом. Наконец, они могут быть выполнены в различных формах. Жидкие электролиты имеют структурные ограничения для предотвращения любой утечки жидкости, проблемы, которая не существует в случае дешевых электролитов.

Но не все то золото, что блестит. Технология все еще сталкивается с рядом проблем, прежде чем диктовать новый отраслевой стандарт. Несмотря на низкую стоимость материалов, производство «твердых» батарей в больших масштабах обходится дорого и требует производственных процессов, которые пока сложно масштабировать.

Кто производит твердотельные аккумуляторы?

Все еще открытые проблемы, похоже, не остановили большинство крупных автопроизводителей. Почти все крупные компании автомобильного сектора, за исключением Tesla, в последние месяцы объявили о проектах или партнерствах по разработке, посвященных «твердотельным батареям».

Тойота активно продвигает разработку твердотельных батарей и заявила, что упростила производство материалов, используемых для их изготовления. Он также сотрудничает с Panasonic в смежных проектах. Ниссан Мотор объявила, что планирует запустить завод по производству твердотельных аккумуляторов к 2025 году, а к 2028 году выпустить первый серийный электромобиль с этой технологией хранения. К тому же году компания планирует достичь стоимости 75 долларов за кВтч. на уровне пакетов.

Также Хонда он пробует свои силы на предприятии, но пока не уточнил сроки выхода на рынок.

Американский стартап QuantumScape при поддержке Билла Гейтса и Volkswagen работает над безанодной твердотельной батареей. Запатентованная технология компании позволяет формировать леску на месте после первой загрузки. QuantumScape заявила, что у нее есть контракты с шестью производителями электромобилей, в том числе Фольксваген.

Automotive Cells Co, компания между Mercedes-Benz, Stellantis и TotalEnergies. У Reality есть соглашение о разработке этой технологии с тайваньским производителем аккумуляторов ProLogium Technology.

Форд и БМВ вместо этого они инвестировали в американский стартап Solid Power, который в настоящее время производит твердоэлектролитные многослойные батареи емкостью 20 Ач на своей непрерывной производственной линии. Оба автопроизводителя получили аккумуляторы емкостью 100 Ач для автоматической квалификации и интеграционных испытаний в 2022 году. Hyundai Motor, еще один инвестор Solid Power, заявила, что планирует начать массовое производство твердотельных аккумуляторов к 2030 году.