Группа учёных из США подобрала методику изготовления твердотельных аккумуляторов с анодом с использованием металлического лития. При этом они решали задачу максимально увеличить цикличность работы батареи. Созданный прототип размером с почтовую марку показал способность выдерживать до 6000 циклов заряда с потерей не больше 20 % первоначальной ёмкости.

Источник изображения: Nature Materials

Учёные из американской Школы инженерных и прикладных наук Гарвардского университета (SEAS) разработали такой процесс гальванизации кремниевого анода металлическим литием, в ходе которого микрогранулы кремния в составе анода покрываются литием как орешки шоколадной глазурью. Заявленная плотность энергии прототипа батареи оказалась сравнительно небольшой по современным меркам — всего 218 Вт/кг, что примерно в два раза меньше, чем в случае новейших литиевых элементов. Но способность выдерживать 6000 циклов разряда и заряда с потерей не больше 20 % ёмкости — это дорогого стоит.

Сегодня мы можем только мечтать об аккумуляторах с подобной устойчивостью к износу. Обычно они выдерживают в два-три раза меньше полных рабочих циклов. Но учёные не собираются останавливаться на достигнутом, и мечтают также значительно увеличить ёмкость аккумуляторов, благо твердотельные электролиты и аноды с использованием металлического лития предоставляют для этого массу возможностей.

О своём достижении учёные сообщили в статье в журнале Nature Materials, которая свободно доступна по ссылке.

«Литийметаллические анодные батареи считаются святым Граалем аккумуляторов, поскольку их ёмкость в 10 раз превышает ёмкость коммерческих батарей на графитовых анодах и они могут значительно увеличить дальность передвижения электромобилей, — сказал Синь Ли (Xin Li), доцент кафедры материаловедения SEAS. — Наше исследование является важным шагом на пути к созданию более практичных твердотельных аккумуляторов для промышленного и коммерческого применения».

Одним из недостатков литиевых аккумуляторов является то, что в процессе эксплуатации они деградируют, теряя ёмкость. Это актуально и для электромобильных батарей, однако, как сообщает принадлежащий Volkswagen стартап PowerCo, у твердотельных аккумуляторов калифорнийской компании QuantumScape эта проблема сведена к минимуму. Тестирование показало, что они «практически не стареют».

Источник изображений: QuantumScape

Согласно данным PowerCo, в ходе тестирования, длившегося несколько месяцев, предоставленный QuantumScape прототип литийметаллического 24-слойного аккумулятора с твердотельным электролитом сохранил 95 % начальной ёмкости после 1000 циклов перезарядки. Это эквивалентно примерно 300 тыс. миль пробега (около 483 тыс. км). Действующий отраслевой стандарт для электромобилей нацелен на потерю 20 % ёмкости за 700 циклов зарядки. То есть, имея первоначальный запас хода от одного заряда батареи 250 миль (около 402 км), к концу срока службы электромобиль будет обладать запасом хода в 200 миль (около 323 км). Но с твердотельной батареей QuantumScape теоретически запас хода электромобиля может сократиться примерно до 240 миль после гораздо большего пробега, отметил ресурс PCMag.

«Это очень обнадёживающие результаты, которые впечатляюще подтверждают потенциал твердотельных элементов, — заявил гендиректор PowerCo Фрэнк Блом (Frank Blome). — Конечным результатом этой разработки может стать аккумуляторная батарея, которая обеспечивает больший запас хода, может заряжаться очень быстро и практически не стареет».

Следует отметить, что такие батареи вряд ли появятся в электромобилях в ближайшие несколько лет. По словам основателя и гендиректора QuantumScape Джагдипа Сингха (Jagdeep Singh), компании ещё предстоит «многое сделать», чтобы вывести аккумуляторы на рынок. Главным инвестором QuantumScape является Volkswagen Group, поэтому в первую очередь новые твердотельные аккумуляторы QuantumScape появятся в электромобилях этой немецкой компании.

Доминирующие сейчас на рынке литийионные аккумуляторы используют жидкий электролит, который опасен перегревом и возгоранием при механическом повреждении батареи. Твердотельный электролит подобных недостатков лишён, но его ресурс до сих пор был ограничен. Японские разработчики нашли способ увеличить долговечность батарей с твердотельным электролитом в десять раз.

Источник изображения: Koike

По крайней мере, компания Koike в сотрудничестве с исследовательским подразделением института AIST, как сообщает Nikkei Asian Review, создала монокристаллический материал, который может быть использован в качестве электролита в твердотельных аккумуляторах. В отличие от поликристаллических аналогов, такой материал снижает электрическое сопротивление на 90 %, тем самым облегчая прохождение тока в электролите и обеспечивая увеличение ресурса всего аккумулятора.

Пока Koike по силам создавать монокристаллические пластины диаметром не более 25 мм, что ограничивает сферу применения нового материала твердотельными аккумуляторами небольшого размера и ёмкости. Тем не менее, даже их можно применять в разного рода носимой электронике, которая в силу требований к герметичности корпуса не подразумевает замены аккумуляторов вообще или допускает такую операцию лишь изредка. В частности, если такими аккумуляторами оснащать кардиостимуляторы, то срок их службы можно увеличить с нынешних 5–10 до 50 лет. Массовое производство компактных аккумуляторов с твердотельным электролитом нового типа планируется наладить в 2027–2028 годах через формирование технологических альянсов с прочими производителями.

Дальнейший вектор исследований будет направлен на совершенствование материалов катодов аккумуляторов и увеличение размеров ячеек. Теоретически, подобные разработки можно будет применить и в производстве тяговых батарей для электромобилей. Твердотельные аккумуляторы не боятся высоких температур и механических воздействий, что значительно повышает их безопасность. Впрочем, технически жидкость при создании электродов из нового материала всё же применяется, поскольку она наносится на их поверхность для предотвращения деградации свойств. По большому счёту, аккумуляторы с таким электролитом следует называть «полутвердотельными».

Твердотельные аккумуляторы разрабатывают многие автопроизводители или связанные с ними стартапы, японская корпорация Toyota Motor не является исключением, но она делает ставку на использование сульфидов в качестве электролита, которые не так безопасны в эксплуатации, как монокристаллический материал, предложенный Koike и партнёрами. По оценкам экспертов Emergen Research, ёмкость мирового рынка аккумуляторов с твердотельным электролитом в период с 2021 по 2030 годы увеличится с $600 млн до $10,1 млрд.

Принято считать, что в разработке аккумуляторов с твердотельным электролитом больше всего заинтересованы автопроизводители и их партнёры, поскольку они позволят устранить ряд недостатков электромобилей нынешнего поколения типа ограниченного запаса хода и длительного времени зарядки. Panasonic не строит иллюзий, обещая начать продажу твердотельных аккумуляторов лишь в 2029 году, причём для более компактных устройств, чем электромобили.

Источник изображения: Nikkei Asian Review, Ryohtaroh Satoh

Как поясняет Nikkei Asian Review со ссылкой на технического директора Panasonic Group Тацуо Огаву (Tatsuo Ogawa), японская корпорация собирается вывести на рынок твердотельные аккумуляторы к 2029 году только в сегменте дронов и промышленных роботов, причём на потребительском рынке они первоначально предлагаться не будут. Некоторые технологии, используемые при производстве таких аккумуляторов, в дальнейшем могут найти применение и в электромобилях, но чтобы этого добиться, предстоит решить множество технических проблем.

Твердотельные аккумуляторы обеспечивают более высокую плотность хранения заряда при меньшей собственной массе, они также позволяют быстрее восполнять заряд и меньше подвержены риску самовозгорания, но их гораздо сложнее и дороже производить при существующем уровне технологического развития отрасли. Впрочем, Panasonic уже удалось лишить такие аккумуляторы другого существенного недостатка — ограниченного эксплуатационного ресурса. Специалисты Panasonic утверждают, что фирменные твердотельные аккумуляторы смогут без проблем выдерживать десятки тысяч циклов зарядки. Это в разы больше, чем предлагают современные литийионные батареи.

Технологиями Panasonic в этой сфере уже интересуются многие компании. По всей видимости, до автомобильного сегмента твердотельные аккумуляторы этой марки доберутся лишь в следующем десятилетии. Конкуренты тоже не дремлют, Toyota Motor уже в 2027 году собирается вывести на рынок первый электромобиль на основе твердотельных аккумуляторов, аналогичные разработки ведут Samsung SDI, SK On и Nissan Motor. Американские и европейские автопроизводители, как правило, инвестируют в различные стартапы, которые разрабатывают аккумуляторы с твердотельным электролитом.

Аккумуляторы с твёрдым электролитом обещают лучшие эксплуатационные качества, но всё ещё дороги в производстве. Над удешевлением процесса работают учёные всего мира, включая учёных из Японии. Группа из страны Восходящего солнца сообщила, что нашла возможность удешевить процесс производства аккумуляторов с твёрдым электролитом, и намерена довести его до коммерческой стадии до конца десятилетия.

Источник изображения: Kento Fukui / asia.nikkei.com

По оценкам Японского научно-технического агентства, производственное оборудование для изготовления полностью твердотельных аккумуляторов будет стоить в 10–20 раз дороже, чем оборудование для производства современных литийионных аккумуляторов. Имея развитое производство обычных литиевых батарей, никто из производителей не пойдёт на такие расходы. Исследовательская группа Токийского технологического института под руководством доцента Синтаро Ясуи (Shintaro Yasui) поставила перед собой цель разработать твёрдый электролит, который можно было бы наносить в виде покрытия, не требующего специального оборудования.

Основная проблема в том, что изготовление твердотельных аккумуляторов во многом необходимо проводить без доступа воздуха (кислорода и водяного пара). В противном случае материал электролита будет разрушаться. Создание вакуумной среды для масштабного производства — задача не из дешёвых, чего необходимо избежать во всех случаях.

Японские исследователи нашли выход в соединении лития, бора и кислорода, которое в процессе измельчения по специальной технологии и смешивания с водой и нелетучими невоспламеняющимися солями лития образует суспензию. Эту суспензию наносят как на материал катода, так и анода. За счёт вязкого состояния материал плотно ложится на оба электрода, обеспечивая плотный контакт по всей поверхности. Всё это сушится на открытом воздухе, а потом соединяется в один аккумуляторный блок.

Характеристики получившейся батареи были измерены под давлением около 3 атмосфер и рабочим напряжением 2,4 В. Главный показатель эффективности электролита — ионная проводимость — составил 5,9 мСм/см (миллисименс на сантиметр), что можно считать довольно высоким показателем для твердотельных электролитов. Опытная батарея выдержала до 300 циклов зарядки и этот параметр учёные намерены довести до 1000 циклов.

Не обошлось без недостатков. Разработанные технология и смесь оказались относительно восприимчивы к довольно невысоким температурам. Так, опытная батарея разрушилась при нагреве до 140 °C. Учёным есть ещё над чем поломать голову, но в течение примерно 10 лет они обещают довести технологию производства твердотельных аккумуляторов в обычных условиях без вакуума до коммерчески доступного уровня.

Компания Toyota заявила о технологическом прорыве, который позволит вдвое сократить вес, размер и стоимость аккумуляторных батарей для электромобилей. Об этом сообщает издание The Guardian со ссылкой на президента центра исследований и разработок концерна в области углеродной нейтральности Кэйдзи Кайта (Keiji Kaita).

Источник изображения: unsplash.com

В японской компании рассказали, что смогли упростить производство материала, который используется для изготовления твердотельных батарей. Это открытие в концерне назвали шагом вперед, который может значительно сократить время зарядки и увеличить дальность пробега электромобилей.

«Мы стремимся изменить ситуацию с нашими жидкостными и твердотельными батареями, которые, как известно, слишком большие, тяжёлые и дорогие в производстве. Мы говорим о потенциале вдвое сократить все эти факторы», — прокомментировал Кайта.

По его словам, благодаря новой технологии Toyota сможет разработать твердотельную батарею, с которой запас хода электрокара составит 1,2 тыс. км, а на ее зарядку будет уходить меньше 10 минут. Как пишет Financial Times, в компании рассчитывают, что смогут наладить массовое производство таких твердотельных батарей в 2027–2028 годах.

Твердотельные аккумуляторные батареи, в которых в качестве электролита применяется твёрдый материал, рассматриваются в качестве более надёжной, удобной и безопасной альтернативы литийионным батареям с жидким электролитом. Однако сейчас твердотельные батареи сложнее и дороже в производстве. В японской компании утверждают, что могли бы значительно упростить процесс производства твердотельных батарей, потенциально сделав его более простым по сравнению с выпуском литийионных батарей.

Тайванский производитель аккумуляторов ProLogium заявил, что к концу этого года начнёт поставки своих твердотельных аккумуляторов европейским автопроизводителям для тестирования. Новая конструкция твердотельной батареи с керамическим твёрдым электролитом может почти удвоить плотность энергии по сравнению со стандартным аккумулятором электромобиля, при этом значительно снизив его вес и количество элементов.

Источник изображений: ProLogium

«В прошлом году мы анонсировали первую твердотельную батарею с анодом из 100 % оксида кремния, предназначенную для обеспечения более высокой плотности энергии на уровне ячейки. Теперь мы рады представить LLCB, ещё одну новаторскую концепцию, которая выведет дизайн аккумуляторов для электромобилей на новый уровень с точки зрения большой запаса хода, малого веса и гибкости конструкции», — заявил Винсент Янг (Vincent Yang), генеральный директор и основатель ProLogium Technology.

Формат большой литий-керамической батареи (LLCB) уменьшает количество ячеек и количество параллельных соединений в аккумуляторной батарее, снижая затраты на компоненты и сборку. Плоская форма и превосходная теплопроводность твердотельного керамического электролита могут значительно упростить конструкцию системы охлаждения, тем самым оптимизируя пространство и экономя более 100 кг веса.

«LLCB обеспечит большую гибкость проектирования электромобилей, — заявил Саймон Ву (Simon Wu), помощник вице-президента ProLogium. — При той же площади, что и у обычного аккумуляторной ячейки 2170, объёмная плотность энергии блока LLCB может быть почти удвоена, а при одинаковой ёмкости вес блока LLCB может быть снижен на 115 кг. Что ещё более важно, производственные процессы LLCB будут производить меньше отходов, а сниженное количество ячеек потребует меньше сырья».

ProLogium в настоящее время сотрудничает с FEV для проведения тестирования технологии LLCB и разработки применимых решений. Планируется, что образцы новых аккумуляторов будут доставлены европейским автопроизводителям для испытаний уже в конце 2023 года. В число европейских партнёров входит Mercedes-Benz.

Ранее ProLogium привлекла $326 млн для разработки твердотельных аккумуляторов. Сейчас компания инвестирует €5,2 млрд в строительство своего первого зарубежного завода по производству твердотельных аккумуляторов в Дюнкерке, Франция. Общая запланированная мощность в 48 ГВт·ч будет поэтапно развёрнута для поставок на европейский рынок электромобилей, что позволит ProLogium массово производить аккумуляторы следующего поколения и локализовать свои исследования и разработки и цепочку поставок, опередив своих конкурентов.

Японские автопроизводители сейчас являются одними из самых активных разработчиков твердотельных аккумуляторов для электромобилей. Конкуренцию им пытаются составить многочисленные стартапы, поддерживаемые западными автогигантами. Но это не значит, что южнокорейские компании готовы отказаться от соперничества в этой сфере. Samsung SDI, в частности, свои твердотельные аккумуляторы начнёт массово производить в 2027 году.

Источник изображения: Samsung SDI

О своих амбициях в этой сфере, по данным Business Korea, представители Samsung SDI и LG Energy Solution рассказали на отраслевом мероприятии, которое проходило в Южной Корее на этой неделе. Сотрудники последней из компаний заявили, что твердотельные аккумуляторы вряд ли смогут соперничать по цене с литийионными. Японские компании хоть и продвинулись в разработках на этом направлении, наладить массовое производство твердотельных аккумуляторов пока не торопятся. По мнению представителей LG Energy Solution, до 2030 года наладить производство таких аккумуляторов будет крайне сложно. До конца текущего десятилетия рынком будут править литийионные батареи.

Представители Samsung SDI добавили, что твердотельные аккумуляторы получаются достаточно безопасными и легковесными, чтобы уменьшить массу электромобилей компактного класса на 9 % относительно аналогичного транспортного средства на основе литийионных батарей. Этот производитель рассчитывает завершить разработку твердотельных батарей средней и большой ёмкости к 2025 году, а массовый выпуск начнёт с 2027 года. С марта прошлого года компания уже строит экспериментальную производственную линию в Южной Корее, в текущем полугодии она уже будет возведена, а прототипы продукции начнёт выдавать в следующем полугодии. Samsung SDI разделяет точку зрения LG Energy Solution по поводу высокой стоимости твердотельных аккумуляторов.

По словам представителей последней из компаний, сейчас инновационная деятельность в отрасли направлена преимущественно на снижение стоимости тяговых батарей, поскольку только этот фактор способен существенным образом влиять на развитие рынка электромобилей. В своё время Генри Форд (Henry Ford) предложил свой автомобиль Model T по цене на 25 % ниже, чем у конкурентов. После 20 лет присутствия машины на рынке количество автопроизводителей уменьшилось с 265 до 44 штук. Сейчас в роли такого подстрекателя выступает компания Tesla, то и дело снижающая цены на электромобили. Её активность неизбежно приведёт к консолидации рынка электромобилей.

По прогнозу SNE Research, в 2035 году ёмкость рынка электромобилей достигнет 80 млн штук в год, а потребность в тяговых батареях вырастет с 687 ГВт‧ч до 5300 ГВт‧ч в показателях совокупной ёмкости. К концу периода прогнозирования ёмкость рынка тяговых батарей в денежном выражении вырастет до $616 млрд. Это примерно в пять раз больше, чем будет достигнуто в текущем году — $121 млрд.

Японские компании TDK и Murata Manufacturing уже выпускают твердотельные аккумуляторы для использования в носимых устройствах, но выпуск более крупных батарей этого типа до сих пор никто не наладил. Устранить это упущение летом этого года планирует компания Maxell, которая наладит массовый выпуск батарей с твердотельным электролитом для использования промышленными роботами на экспериментальной линии в Японии.

Источник изображения: Fanuc

Отказ от использования жидкого электролита, характерного для литийионных аккумуляторов, позволяет снизить риск самовозгорания батарей и повышает плотность хранения заряда до трёх раз. Правда, имеется и существенный недостаток — аккумуляторы с твердотельным электролитом оказываются до четырёх с лишним раз дороже, чем классические литийионные. Maxell собирается использовать сульфидные твердотельные аккумуляторы для оснащения ими промышленных роботов. Для их производства будет построена отдельная линия на предприятии рядом с Киото, проект потребует инвестиций в размере $15 млн. К концу десятилетия Maxell надеется ежегодно получать от реализации таких аккумуляторов до $228 млн.

Японским компаниям принадлежат четыре из каждых пяти патентов в сфере технологий создания аккумуляторов с твердотельным электролитом, соответствующие разработки ведут Panasonic, Toyota и Nissan. Для автопроизводителей данное направление деятельности особенно важно, поскольку позволит в перспективе увеличить запас хода электромобилей и сократить их массу, а также время восполнения заряда без угрозы для пожарной безопасности. К 2035 году, по некоторым данным, ёмкость рынка аккумуляторов с твердотельным электролитом достигнет $12 млрд.

Баварский автогигант BMW решил ускорить разработку твердотельных аккумуляторов, начав выпуск их прототипов совместно с американской Solid Power. Базой для сотрудничества двух компаний выступит научно-исследовательский центр автопроизводителя в Мюнхене.

Источник изображения: the blowup / unsplash.com

Пробный выпуск элементов питания нового поколения стартует уже в первой половине текущего года — целью начального этапа является создание достаточно ёмких аккумуляторов, чтобы можно было запустить их испытания на электромобилях до 2025 года, заявил руководитель отдела исследований и разработки в области батарей Петер Ламп (Peter Lamp).

Solid Power наладила сотрудничество не только с BMW, но и с Ford — обе компании являются также её инвесторами, и когда твердотельные аккумуляторы выйдут на целевые показатели, компания станет поставщиком для своих партнёров.

Сегодня несколько десятков производителей стремятся найти «святой Грааль» в мире элементов питания — твердотельные батареи, которые помогут повысить запас хода электромобилей, ускорить время зарядки, снизить риск возгорания и стоимость. Предполагается, что на рынок технология выйдет к концу десятилетия, а пока она активно разрабатывается в лабораториях.