В течение последнего десятилетия автопроизводители поставляли непрерывный поток вдохновляющих и революционных технологий наряду с постоянным потоком невыполненных обещаний и необоснованной шумихи. Куда вписывается следующая важная вещь в химии аккумуляторных батарей?
За последние несколько лет мы видели множество быстрых электромобилей. Некоторые из них абсурдно быстры. А быстрота — это хорошо. Но если автомобили с производительностью EV, такие как недавно представленный и очень привлекательный Volkswagen ID.GTI, должны удовлетворить энтузиастов будущего, они должны быть более чем быстрыми. Они также должны быть маневренными. Для этого им нужно решить проблему с весом. Большие аккумуляторные блоки обеспечивают достаточную мощность для электромобилей с лучшим ускорением, но они слишком тяжелые. Одним из инновационных решений является твердотельный аккумулятор, который потенциально обеспечивает удвоенный заряд или вдвое меньший вес — для будущего, которое коснется не только скоростных внедорожников и грузовиков.
Первоначально эта история появилась в 20-м томе журнала Road & Track.
В течение последнего десятилетия автопроизводители поставляли непрерывный поток вдохновляющих и революционных технологий наряду с постоянным потоком невыполненных обещаний и необоснованной шумихи. Автономное вождение, искусственный интеллект, твердотельные аккумуляторы — маркетинговые кампании, наполненные модными словечками, уверяют вас, что будущее близко, однако вашему электромобилю едва удается выжать 80 процентов заявленного диапазона. Мир технологий всегда будет представлять собой смесь фактов и фантазий, но, по крайней мере, перспективы появления твердотельных аккумуляторов реальны.
В современных электромобилях используются литий-ионные аккумуляторы. Внутри аккумулятора происходит реакция, при которой ион лития перемещается через жидкий электролит с одной стороны аккумулятора на другую после выделения электрона. Выброшенные электроны приводят в действие электродвигатель, который приводит в движение автомобиль. В твердотельных аккумуляторах жидкий электролит заменяется твердым. Хотя разница кажется простой, химический состав сложен, а последствия для производительности драматичны.
Жидкие электролиты летучи и воспламеняемы, в то время как твердые электролиты могут быть инертными, что повышает безопасность, что является ключевым фактором, стимулирующим развитие технологии. Мы все видели видеоролики, показывающие, как сложно бороться с возгоранием литий-ионных аккумуляторных блоков, поэтому переход на химический состав твердотельных аккумуляторов сделает наши дороги безопаснее.
Однако простая замена жидкого электролита твердым может фактически снизить плотность энергии. Твердые вещества пропускают электроны не так легко, как жидкости, поэтому поддержание границы раздела между активными материалами и электролитом является сложной задачей. Батарея того же размера, но теперь реакция более сложная, что снижает эффективную плотность.
Твердотельные аккумуляторы могут решить эту проблему с плотностью энергии несколькими способами. Аноды традиционных литий-ионных аккумуляторов, часть аккумулятора, которая накапливает литий перед разрядкой, обычно изготавливаются из графита. В твердотельных аккумуляторах этот анод заменят литий-металлическим или даже вовсе откажутся от анода. Удельная емкость литий-металлических анодов примерно в 10 раз превышает удельную емкость графитовых, что означает, что они накапливают больше энергии в меньшем пространстве. На практике это означает скачок от сегодняшней плотности литий-ионных аккумуляторов, составляющей примерно 250 Втч / кг, к гораздо более высокой — 400 с лишним Втч / кг.
Недавний демонтаж аккумуляторной батареи Volkswagen ID.3 показал, что ее вес составляет около 830 фунтов, а общая емкость аккумулятора составляет примерно 65 кВт *ч. Если бы производитель использовал твердотельные элементы мощностью 400 Втч / кг вместо 273 Втч / кг, которыми комплектуется Volkswagen, емкость составила бы около 95 кВт *ч. Это увеличит запас хода ID.3 с 260 миль до более чем 380 без изменения размера или веса аккумулятора. В качестве альтернативы, запас хода может остаться прежним при использовании аккумулятора значительно меньшего размера и более легкого. В обоих случаях соотношение мощности к весу автомобиля будет значительно улучшено, сочетая скорость с маневренностью.
К сожалению, проблем, связанных с твердотельными аккумуляторами, так же много, как и преимуществ, которые они должны обеспечивать. Вот почему сегодня мы пока не видим их в серийных автомобилях. Исследование, опубликованное ранее в этом году в Nature Energy, суммирует трудности. Перемещение лития внутри аккумулятора, будь то зарядка или разрядка, приводит к изменению объема различных компонентов. Эти изменения могут привести к появлению трещин в материале, дефектов и даже пустот, когда потеря контакта означает выход из строя элемента питания. Граница раздела между металлическим литием и твердым электролитом также может увеличиваться, создавая резистивный слой и снижая производительность батареи. На аноде могут образовываться литиевые наросты, называемые дендритами, которые проникают сквозь батарею и в конечном итоге приводят к катастрофическому выходу из строя. Твердотельные аккумуляторы могут буквально разорваться на части, высвобождая содержащуюся в них энергию.
Трудности не заканчиваются химией. Создание миллиардов таких аккумуляторных элементов для использования в автомобилях поставило бы более сложную задачу: экономически эффективное масштабирование технологии. Существуют серийные примеры твердотельных аккумуляторов для узкоспециализированного использования, но массовое производство электромобилей потребует продолжения исследований, разработок и испытаний.
Хотя здоровый скептицизм остается оправданным, оптимистичные сроки быстро приближаются. В 2020 году Toyota объявила о своем стремлении стать первым автопроизводителем, использующим твердотельные аккумуляторы в дорожных автомобилях, с ограниченным производством до 2025 года. Через три года график производства был перенесен самое раннее на 2027 год. Nissan заявляет, что собственные твердотельные аккумуляторы поступят в продажу к 2028 году. Следует ожидать смелых заявлений, но некоторые автопроизводители по-прежнему сомневаются. Исполнительный директор Ford заявил, что компания не ожидает масштабной коммерциализации до 2030 года.
Твердотельные аккумуляторы — это реальная технология с реальными преимуществами и почти несомненным расширением использования в будущем. К сожалению, когда это будущее наступит, остается загадкой.