Разработкой тяговых батарей с твердотельным электролитом сейчас занимаются не только производители аккумуляторов и электромобилей, но и просто профильные стартапы. Многие из них обещают представить готовые к массовому производству аккумуляторы нового типа в этом десятилетии, но эксперты относятся к таким заявлениям скептически, добавляя, что сейчас на рынке нет явного фаворита в этой сфере. Тем временем создаются промежуточные решения.

Источник изображения: BYD

Как поясняет IEEE Spectrum, создаваемые некоторыми компаниями полутвердотельные аккумуляторы, которые используют вместо растворов солей лития более густой гель на их основе в качестве электролита, могут стать жизнеспособным решением на переходный период, пока не будут разработаны технологии массового производства батарей с полностью твердотельным электролитом. К преимуществам полутвердотельных батарей можно отнести использование уже известного оборудования и большинства материалов, которые известны по существующим техпроцессам производства литийионных батарей.

Аккумуляторы с полутвердотельным электролитом обеспечивают увеличение плотности хранения заряда. Например, китайская WeLion, которая соответствующими тяговыми батареями уже снабжает электромобили Nio, обеспечивая им запас хода более 1000 км без подзарядки в реальных условиях эксплуатации, заявляет о плотности хранения энергии в 360 Вт·ч/кг на уровне ячейки. После упаковки таких ячеек в корпус батареи показатель плотности снижается до 260 Вт·ч/кг, но это всё равно выше тех 160 Вт·ч/кг, которые достижимы для литийионных батарей с классическим жидким электролитом.

Стив Мартин (Steve Martin), профессор материаловедения в Университете Айовы, убеждён, что в настоящий момент невозможно утверждать о способности какой-то конкретной технологии и отдельной страны обеспечить себе доминирование на мировом рынке в будущем. Сейчас разрабатывается слишком много разных типов тяговых батарей с твердотельным электролитом, но ни один из них на данном этапе не обеспечивает убедительного технологического преимущества.

К плюсам твердотельных батарей следует отнести увеличенную плотность хранения заряда, меньшую массу, более высокий ресурс, способность быстрее принимать заряд, а также более высокий уровень пожарной безопасности. При этом для подтверждения этих преимуществ нужно не только разработать почти с нуля технологии массового производства таких батарей, но и провести длительные и обширные испытания, позволяющие убедиться в их безопасности. Некоторые из прототипов таких батарей используют стеклянные элементы в своём составе, и не факт, что в условиях постоянной вибрации они будут себя хорошо чувствовать на протяжении всего срока эксплуатации электромобиля, не говоря уже о риске повреждения в аварии.

Японские твердотельные накопители

Японские автопроизводители во главе с Toyota предпочитают самостоятельно разрабатывать твердотельные аккумуляторы, причём этот крупнейший поставщик легковых автомобилей в мире рассчитывает вывести на рынок соответствующие элементы питания уже в 2027 году. Они должны обеспечить запас хода до 1200 км без подзарядки. Западные автопроизводители присматриваются к деятельности профильных стартапов. Компания QuantumScape, получающая поддержку Volkswagen, разрабатывает литийметаллические батареи с твердотельным электролитом, которые призваны обеспечить плотность хранения заряда около 400 Вт·ч/кг. Кроме того, они способны восстановить заряд с 10 до 80 % за 15 минут.

Разработками компании Solid Power, которая создаёт твердотельные аккумуляторы с электролитом сульфидного типа, интересуются Ford и BMW. Литийкерамические аккумуляторы с твердотельным электролитом оксидного типа создаёт ProLogium Technology, компания рассчитывает начать поставки подобной продукции уже в этом году и в перспективе превысить плотность хранения энергии в 500 Вт·ч/кг. Сотрудничая с Mercedes-Benz, этот стартап уже открыл своё первое предприятие по выпуску твердотельных аккумуляторов на Тайване.

При этом следует помнить, что до сих пор формирующие существенную часть себестоимости любого электромобиля тяговые аккумуляторы даже в самой дешёвой разновидности типа LFP стали популярны не сразу, и их экспансии в значительной степени способствовало масштабирование объёмов производства китайскими компаниями, которое и помогло сделать их относительно доступными. Твердотельным аккумуляторам придётся преодолеть долгий и тернистый путь, прежде чем получить адекватное распространение.

Японская компания TDK на этой неделе сообщила об успехах в разработке материала, который поможет увеличить плотность хранения электроэнергии в элементах питания с твердотельным электролитом в 100 раз по сравнению с имеющимися образцами аккумуляторов той же марки с твердотельным электролитом. Прежде всего, эта разработка позволит продлить сроки работы от батареи разного рода носимой электроники.

Источник изображения: TDK Corporation

Новое поколение батарей с твердотельным электролитом TDK называет CeraCharge, появление нового материала для их создания позволит поднять плотность хранения заряда в сто раз до 1000 Вт·ч/л в объёмном измерении. Заявления о 100-кратном увеличении плотности хранения заряда могут показаться достаточно громкими, и тут действительно дело в выборе базы для сравнения. Во-первых, с момента выхода первых образцов CeraCharge в 2020 году конкурирующие производители аккумуляторов с твердотельным электролитом продвинулись в увеличении плотности хранения заряда до 50 Вт·ч/л, что уже сокращает преимущество TDK до 20-кратного. Во-вторых, перезаряжаемые элементы питания «монетного» типа на основе традиционного жидкого электролита с литием обеспечивают плотность хранения заряда до 400 Вт·ч/л, и в этом случае превосходство TDK сокращается до 2,5 раза.

Беспроводные наушники, слуховые аппараты и умные часы смогут оснащаться более совершенными и долговечными элементами питания, как отмечается в пресс-релизе компании. Применение данной технологии в более крупных устройствах ограничено использованием довольно хрупкой керамики при производстве батарей семейства CeraCharge. По этой причине такие аккумуляторы будут использоваться только в достаточно компактных устройствах.

Добиться прогресса в сфере повышения плотности хранения заряда TDK удалось за счёт использования твердотельного электролита оксидного типа собственной разработки в сочетании с анодом на основе соединений лития. Данный тип твердотельного электролита делает батарею весьма безопасной, что важно для устройств, соприкасающихся с кожей человека. Внедрение таких батарей позволит заменить одноразовые элементы питания монетного типа, поскольку новое поколение источников энергии будет перезаряжаемым. Соответственно, ущерб для окружающей среды от утилизации батареек заметно снизится.

В дальнейшем TDK сосредоточится на разработке технологии производства аккумуляторных батарей с твердотельным электролитом на основе нового материала. Свои компетенции в сфере выпуска электронных компонентов TDK собирается направить на технологии ламинирования слоёв в аккумуляторах нового типа и расширение температурных режимов их работы.

Выручка отрасли производства флеш-памяти NAND в первом квартале текущего года достигла более $14,7 млрд — это самый высокий квартальный показатель за последние годы. При этом Micron обогнала одного из лидеров рынка в лице Western Digital благодаря наращиванию поставок SSD для ИИ-серверов. Флэш-память остаётся одним из самых быстрорастущих сегментов рынка полупроводников.

Источник изображения: Wikipedia

Согласно отчету аналитической компании TrendForce, в первом квартале 2024 года наблюдался значительный рост на рынке флэш-памяти NAND. Выручка отрасли увеличилась на 28,1 % по сравнению с предыдущим кварталом и достигла $14,71 млрд.

Основными драйверами роста стал высокий спрос на твердотельные накопители (SSD) для корпоративных серверов, нацеленных на задачи искусственного интеллекта. Также запасы флэш-памяти наращивали производители ПК и смартфонов, а также операторы дата-центров. Последние постоянно стремятся компенсировать ожидаемый дальнейший рост цен.

Источник изображений: TrendForce

Лидером рынка остается Samsung с долей 37 %, выручка компании от продаж NAND выросла на 28,6 % до $5,4 млрд. На втором месте оказалась SK Group (SK Hynix + Solidigm) с долей 22 % и ростом выручки на 31,9 % до $3,27 млрд. Третье и четвертое место занимают Kioxia и Micron с долями 12 % и 13 % соответственно.

Micron смогла обогнать Western Digital благодаря более низким ценам и активному наращиванию поставок SSD для дата-центров. Выручка Micron выросла на 51,2 %, что является самым высоким показателем среди лидеров отрасли.

Эксперты TrendForce прогнозируют сохранение положительной динамики и во втором квартале — ожидается рост выручки отрасли почти на 10 %. Отмечается, что этому будут способствовать дальнейшее увеличение контрактных цен на флэш-память (+15 %) и расширение использования SSD корпоративным сегментом.

Пока конкуренты направляли существенные ресурсы на разработку твердотельных аккумуляторов, крупнейший производитель литийионных батарей с жидким электролитом — китайская компания CATL, довольно скептически оценивала перспективы первых. На днях она заявила, что лишь к 2027 году сможет начать выпуск твердотельных аккумуляторов, и в последующие годы достижение доли в 1 % рынка будет для неё прорывом.

Источник изображения: CATL

Ведущий научный сотрудник CATL Ву Кай (Wu Kai), как сообщает CnEVPost, на Международной выставке батарей в Китае (CIBF) оценил текущую степень готовности твердотельных батарей к массовому производству в 4 балла из 9. Компания ставит перед собой задачу к 2027 году довести этот показатель до 7–8 баллов, что будет означать возможность мелкосерийного производства тяговых батарей с твердотельным электролитом. По словам представителя компании, серийный выпуск таких аккумуляторов отдаляется не только техническими сложностями, но и высокими затратами.

CATL будет считать успехом достижение 1 % рынка твердотельных аккумуляторов. По мнению главного научного сотрудника компании, батареи с жидким электролитом сохранят жизнеспособность на протяжении ещё 20 лет, а твердотельным потребуется от 20 до 30 лет, чтобы занять 50 % рынка. Литиевые батареи с жидким электролитом способны обеспечить плотность хранения заряда до 350 Вт·ч/кг уже сейчас, но из них сложно выжать больше, как пояснил представитель CATL. Твердотельные аккумуляторы способны поднять планку до 500 Вт·ч/кг, а ещё они в меньшей степени зависят от температуры окружающего воздуха и более безопасны при физическом разрушении.

CATL для разработки твердотельных аккумуляторов не только собрала команду исследователей из 1000 человек, но и активно сотрудничает с поставщиками и учебными заведениями. Предстоит решить ещё очень много проблем, прежде чем твердотельные аккумуляторы можно будет выпускать в массовых количествах по приемлемой цене. Многие из конкурентов CATL готовы сделать это до конца текущего десятилетия.

Автопроизводители и поставщики тяговых аккумуляторов активно занимаются разработкой батарей нового типа с твердотельным электролитом, которые призваны увеличить плотность хранения энергии и тем самым либо снизить массу транспортного средства, либо увеличить дальность хода без подзарядки. Samsung утверждает, что в 2027 году сможет начать массовый выпуск твердотельных аккумуляторов, которые увеличивают объёмную плотность хранения заряда на 40 %.

Источник изображения: Samsung SDI

Если быть точнее, как сообщает Nikkei Asian Review, представители Samsung SDI на выставке InterBattery в Южной Корее сообщили, что разрабатываемые ими тяговые твердотельные аккумуляторы смогут предложить плотность хранения заряда 900 Вт‧ч/л, а это является улучшением на 40 % по сравнению с имеющимися технологиями. Помимо увеличения плотности хранения заряда и снижения массы, аккумуляторы с твердотельным электролитом позволяют повысить безопасность с точки зрения угрозы возгорания, а также ускорить сам процесс восполнения заряда.

В прошлом году Samsung SDI уже запустила пилотную производственную линию в Сувоне недалеко от южнокорейской столицы, а сейчас занимается совершенствованием технологии массового производства аккумуляторов с твердотельным электролитом с целью повышения уровня выхода годной продукции. В прошлом году Samsung SDI также учредила команду специалистов по продвижению твердотельных батарей на рынок, и начала готовить крупных клиентов типа BMW к возможности их использования в будущем. В текущем году начались поставки образцов твердотельных аккумуляторов Samsung SDI ведущим автопроизводителям мира. Производственные планы по выпуску таких аккумуляторов будут формироваться на основе оценки уровня спроса.

Hyundai Motor тоже собирается начать производить твердотельные аккумуляторы с 2027 года, а Toyota к 2027–2028 годам рассчитывает начать продажи серийных электромобилей с твердотельными аккумуляторами. Компания располагает более чем 1000 патентами в области разработки твердотельных батарей. Европейские автопроизводители пытаются финансировать профильные разработки через разного рода стартапы. Китайские автопроизводители BYD, CATL и Nio тоже разрабатывают тяговые аккумуляторы твердотельного типа. Nissan и Honda собирается выпускать твердотельные аккумуляторы собственными силами.

Samsung SDI использует твердотельные электролиты сульфидного типа. Сами аккумуляторные ячейки имеют безанодную конфигурацию, обеспечивая более высокие характеристики по сравнению с батареями, использующими литиевый анод.

Сейчас Китай доминирует на рынке литийионных аккумуляторов, поскольку в огромных количествах наладил выпуск наиболее дешёвых тяговых батарей для электромобилей на основе фосфата железа. Поскольку японские и европейские производители вкладывают серьёзные средства в разработку твердотельных аккумуляторов, китайским компаниям не хочется отставать, и они объединили свои исследовательские усилия в рамках консорциума.

Источник изображения: CATL

Об этом на текущей неделе сообщило издание Nikkei Asian Review, рассказав о мероприятии в Китае, которое собрало представителей более чем 200 компаний, ведомств и научных организаций. Под эгидой китайского правительства в конце января был создан консорциум CASIP, чьё обозначение расшифровывается как China All-Solid-State Collaborative Innovation Platform. В вольном переводе название организации описывает общенациональные усилия китайских разработчиков по созданию твердотельных аккумуляторов.

Примечательно, что консорциум в своих рядах объединил конкурентов из числа китайских автопроизводителей и поставщиков тяговых батарей. Под знамёна организации встали BYD, CATL, CALB, EVE Energy, Svolt Energy Technology и Gotion High-Tech. В общей сложности шесть из десяти крупнейших производителей тяговых аккумуляторов в мире оказались членами этого консорциума. У некоторых из этих производителей батарей есть претензии друг к другу, которые материализовались в судебные иски. Это не помешало им забыть о разногласиях и выразить желание совместно разрабатывать твердотельные аккумуляторы. Последние должны не только увеличить плотность хранения электроэнергии и сократить массу батарей, но и значительно сократить время зарядки и снизить зависимость аккумуляторов от температуры окружающего воздуха. Кроме того, твердотельные аккумуляторы более безопасны с точки зрения вероятности возгорания.

В состав альянса вошли и автопроизводители из Китая, включая BYD и NIO, которые тоже конкурируют друг с другом. Авторы идеи такой консолидации надеются, что с привлечением государственных ресурсов и систем искусственного интеллекта китайские производители смогут к 2030 году наладить выпуск твердотельных аккумуляторов, тем самым не утратив лидирующих позиций на рынке в случае успеха конкурирующих инициатив. Японские Toyota и Nissan рассчитывают к 2028 году вывести на рынок первые электромобили, оснащённые твердотельными аккумуляторами. Не собираются отставать и немецкие Volkswagen и BMW, поддерживающие профильные стартапы, которые разрабатывают тяговые батареи такого типа.

По оценкам китайских экспертов, к середине текущего десятилетия машины с тяговыми аккумуляторами будут формировать более половины первичного авторынка в мире. Китай с его огромным потенциалом реализации транспортных средств мог бы стать отличным полигоном для испытания новых типов аккумуляторных батарей. Местные производители при правильном подходе могли бы наладить выпуск твердотельных аккумуляторов на коммерческой основе уже к 2030 году. Впрочем, на уровне исследовательской деятельности перевес пока на стороне японских производителей. Та же Toyota обладает более чем 1300 патентами в сфере создания твердотельных аккумуляторов, тогда как китайские компании пока не добрались и до планки в 100 профильных патентов. Toyota массовый выпуск аккумуляторов нового поколения рассчитывает начать не ранее 2030 года, так что у китайских компаний есть шансы не уступить ей в этой гонке.

Компания QuantumScape поделилась деталями относительно новейшего литиевого аккумулятора, который может вдохнуть больше жизни в электромобили и не только. Интересной особенностью разработки стала её способность «дышать» или «биться как сердце», что при обычной эксплуатации литиевых аккумуляторов не приветствуется.

Источник изображений: QuantumScape

Стенки элемента питания FlexFrame расширяются при заряде и сжимаются в процессе разряда. В случае обычных литиевых элементов подобное может привести к выходу аккумулятора из строя. Однако для батарей FlexFrame это станет штатной особенностью, что, очевидно, необходимо будет учитывать при проектировании батарей и устройств на их базе.

В настоящий момент компания завершила испытание батареи в версии A0. В начале 2023 года стало известно, что прототип обладает ёмкостью 5 А·ч (обозначение — QSE-5). Испытания прототипов в версиях B и С стартуют в этом и/или в следующем году, после чего можно ожидать начало массового производства новинок.

Устройство 24-слойного «дышащего» аккумулятора FlexFrame

В начале этого года принадлежащий Volkswagen стартап PowerCo заявил, что аккумуляторы компании QuantumScape «практически не стареют». В процессе их опытной эксплуатации 1000 циклов заряда и разряда снизили ёмкость FlexFrame всего на 5 %, тогда как современные аналоги допускают снижение ёмкости при заметно меньшем числе циклов на 20 % и больше. Кажется ерунда, но это сотни километров хода без каких-либо затрат.

Аккумулятор FlexFrame может стать первым коммерчески успешным накопителем энергии на твёрдом электролите и с анодом из металлического лития. Концентрация в этих батареях едва ли не всех перспективных направлений в развитии литиевых батарей способна представить взрывную в хорошем смысле этого слова смесь технологий, которая далеко вперёд подтолкнёт развитие электрического транспорта. В видео ниже представители компании подробно рассказывают об устройстве нового аккумулятора.

Остаётся напомнить, что компания QuantumScape имеет за плечами внушительный научный и инвестиционный багаж. Она была создана около 14 лет назад выходцами из Стэнфордского университета и использует в основе своих технологий полученные там наработки. В публичное пространство QuantumScape вышла в 2020 году. До этого 10 лет её финансировали два источника: один из фондов Билла Гейтса и компания Volkswagen.

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.