Будущее электромобилей. Почему страны и производители вкладывают миллиарды в твердотельные аккумуляторы
Как твердотельные аккумуляторы изменят рынок электромобилей (Фото: BiancoBlue/Depositphotos)
Ограниченный пробег, слишком долгое время зарядки и риск пожара — ключевые недостатки современных электромобилей. Все три проблемы могут решить твердотельные аккумуляторы (SSB), и вот как.
Чем SSB лучше Li-ion
Современные электромобили, как правило, получают энергию от литий-ионного аккумулятора — это большая и тяжелая батарея, которая обычно размещается в днище автомобиля для понижения центра тяжести. Внутри батареи ионы лития перемещаются через жидкий электролит — эффективный, но летучий, легко воспламеняющийся и с относительно ограниченной емкостью.
Не все SSB являются полностью твердыми. Некоторые — полутвердые или требуют немного жидкости для улучшения электропроводности. Другие зависят от повышенных температур или высокого давления для поддержания стабильности. Однако основная идея — проводимость ионов через твердую среду — прослеживается во всех твердотельных батареях.
Плюсы твердотельных аккумуляторов
Прежде всего SSB выгодно выделяются более высокой плотностью энергии. Твердые электролиты позволяют использование литиевых металлических анодов, способных удерживать значительно больше заряда на килограмм батареи. Как подсчитал Институт системных и инновационных исследований Фраунгофера, благодаря этому твердотельные аккумуляторы могут достичь 350−500 Вт-ч/кг. Для сравнения, современные литий-ионные батареи в среднем имеют до 300 Вт-ч/кг.
Более высокая плотность энергии на практике позволяет получить более легкие батареи и больший пробег. Для автопроизводителей это возможность уменьшить размеры своих батарей и соответственно сократить расходы. Среди водителей же появление SSB может устранить так называемую тревогу пробега — страх, что заряда аккумулятора EV не хватит, чтобы доехать до нужного места или места зарядки.
Под действием определенных нагрузок (скажем, перезарядки или быстрого нагрева) жидкие электролиты могут вызвать тепловой разгон — цепную реакцию, приводящую к возгоранию аккумулятора. По сравнению с ними, твердые электролиты более устойчивы к перепадам температур и меньше рискуют перегреться, хотя и тоже не являются негорючими.
Отдельное исследование по запросу Европейской федерации транспорта и окружающей среды показало, что твердотельные батареи могут уменьшить углеродный след аккумулятора EV до 39% по сравнению с литиевыми батареями — но при условии, если SSB будут изготавливаться из наиболее экологически чистых материалов.
И едва ли не самый приятный бонус SSB — это быстрая зарядка. Поскольку в твердотельных батареях ионы лития движутся более упорядоченно, а их аноды эффективнее накапливают заряд, будущие SSB должны значительно сократить время зарядки. К примеру, в 2023 году Toyota объявила, что ее будущие модели с твердотельными аккумуляторами смогут заряжаться от 10 до 80% всего за 10 минут в условиях быстрой зарядки постоянным током.
Минусы твердотельных аккумуляторов
Серьезной проблемой SSB остается образование дендритов — крошечных иглообразных наростов лития, которые появляются при многократной зарядке. Со временем они могут прорасти сквозь твердый электролит и вызвать короткое замыкание, которое портит работу аккумулятора.
Согласно обзору в журнале Nature Energy, универсального решения этой проблемы еще нет. Сейчас разработчики SSB пробуют разные методы: одни разрабатывают более прочные керамические электролиты, другие покрывают электроды защитными буферными слоями.
Важно и то, что современные литий-ионные батареи изготавливают на заводах, которые совершенствовались годами, с давно налаженными поставками. А вот твердотельные батареи требуют новых и специфических условий: высокого давления для поддержания контакта электродов, высоких температур для стабильного движения ионов
Кто и когда выпустит SSB
Как запустить конвейер, который будет выпускать миллионы SSB по приемлемой цене — вот вопрос, над которым ломают голову производители уже сегодня. Первые успехи уже есть. По данным отчета IDTechEx, фирмы QuantumScape и Solid Power создали пилотные производственные линии для совершенствования производственных процессов. QuantumScape, чьим акционером является в частности Volkswagen, сообщила об успехах в масштабировании производства своих твердотельных литий-металлических батарей.
Mercedes-Benz и Factorial Energy в прошлом году успешно испытали модифицированный седан Mercedes EQS, оснащенный твердотельным аккумулятором. Он проехал на одной зарядке примерно 1205 километров. Прототип SSB сохранил примерно на 25% больше энергии, чем стандартный аккумулятор EQS, имея такой же вес и размеры.
Тем временем Stellantis, материнская компания Jeep и Peugeot, заключила соглашение с Factorial Energy — эта компания разрабатывает и производит твердотельные аккумуляторы для электромобилей и других применений. По данным The Verge, ее батареи FEST могут заряжаться от 15 до 90% примерно за 18 минут при комнатной температуре. Каждый килограмм FEST сохраняет 375 Вт-ч энергии — даже после более 600 циклов зарядки.
А Toyota и японская энергетическая компания Idemitsu строят заводы по производству твердых электролитов на основе сульфида лития, которые являются важным материалом для полностью твердотельных конструкций. Цель — выпустить электромобили с SSB в продажу уже к 2027−2028 году.
Чиновник Министерства экономики, торговли и промышленности Японии Сатоши Нохара заявил, что его страна поставила цель коммерциализировать полностью твердотельные аккумуляторы примерно к 2030 году. В свою очередь, Евросоюз в прошлом году запустил HyLiST — исследовательский проект для разработки и масштабирования технологий SSB. Геополитический план очевиден: тот, кто первым развернет надежное массовое производство твердотельных батарей, будет доминировать на рынке электромобилей следующего поколения.
Впрочем, надеяться на SSB-революцию в ближайшее время не стоит. Исследовательская служба BloombergNEF прогнозирует, что к 2035 году твердотельные аккумуляторы составят лишь 10% мирового спроса на электромобили и батареи для хранения энергии. Ожидается, что SSB сначала будут внедрены в автомобили премиум-класса.
Если в ближайшее время кому-то из крупных игроков удастся решить проблемы с производством и долговечностью, твердотельные аккумуляторы могут всколыхнуть рынок уже к концу десятилетия. А вместе с ними с высокой вероятностью появятся более выносливые, безопасные и удобные электромобили.
