Твердотельные аккумуляторы для электромобилей — шаг в будущее

Твердотельные аккумуляторы — это самая перспективная разработка в сфере автомобилей на новой энергии, которая должна существенно улучшить опыт от эксплуатации электромобилей и значительно увеличить запас хода на одной зарядке.

Что собой представляют батареи для электромобилей

Твердотельные батареи, по сути своей, мало чем отличаются от распространенных литий-ионных. Главным отличием является твердый электролит, из-за которого они и получили свое название. Сами по себе твердые электролиты не новы для науки — первые эксперименты имели место в середине XIX века, но создать стабильный, эффективный и энергоемкий состав смогли лишь в 2011 году. Именно тогда автомобильная промышленность только начала вставать на рельсы электрификации и компании одна за другой начали осторожно изучать возможности автомобилей на аккумуляторах, серийно выпуская одну-две модели низкими тиражами.

Современные твердотельные аккумуляторы представляют собой стандартную батарею из анода, катода и электролита, но все эти элементы имеют твердое состояние. Часто в качестве анода применяется металлический литий, катодом выступают различные оксиды или сульфиды, что позволяет увеличить плотность заряда. Твердый электролит выступает идеальным разделителем и проводником ионов лития, пропуская только их.

Устройство твердотельных батарей

 

Именно эти характеристики призваны решить основные проблемы литий-ионных аккумуляторов: воспламеняемость, ограничения по максимальному напряжению, долговечность, мощность отдачи и прочие.

Когда речь заходит о первых массовых электрических автомобилях, многие сразу вспоминают Tesla Илона Маска. Американская компания действительно преуспела на рынке, но до сих пор и Tesla, и ее конкуренты используют в своих моделях литий-ионные батареи. Также незначительно распространены никель-металл-гидридные решения, но их срок службы, возможности скоростной зарядки и выносливость гораздо хуже, чем у литий-ионных.

Литий-ионные аккумуляторы имеют множество разновидностей, но суть их остается прежней. И недостатки этих батарей также в той или иной мере совпадают. Несмотря на развитие технологии, эволюционного скачка за почти 15 лет мы так и не увидели. Таким скачком обещают стать именно твердотельные батареи.

 

Преимущества твердотельных батарей

В твердотельных аккумуляторах, как мы упомянули выше, применяется металлический литий в качестве анода. В литий-ионных для производства анода используется графит. Это углеродная структура, которая в процессе эксплуатации может накапливать на себе неоднородный слой электролита, который постепенно разрушает его, вследствие чего батарея быстро приходит в негодность, теряя свои свойства.

Переход на литиево-металлические аноды должен существенно повысить плотность заряда и практически удвоить емкость — основной объект критики в литий-ионных решениях.

 

Кроме того, твердотельные аккумуляторы, по заявлениям ученых, занимающихся их разработкой в различных стартапах и технологических компаниях, не будут нуждаться в громоздкой система терморегуляции, которая необходима в современных литий-ионных решениях. Им она просто не нужна. Это поможет сделать массовое производство твердотельных батарей дешевле.

Твердотельные аккумуляторы также заметно легче литий-ионных, что скажется как на общей массе электромобиля, так и на его запасе хода — нужно приложить меньше усилий, чтобы нести на себе тяжелую батарею. Например, твердотельная батарея емкостью 80 кВтч будет примерно на ⅔ легче аналогичной литий-ионной.

Скорость зарядки твердотельных аккумуляторов также заметно выше традиционных литий-ионных. На полную зарядку может требоваться до 15 минут. Сегодня для реализации скоростной зарядки производители вынуждены повышать максимальное напряжение в архитектуре электромобилей до 800 В. Это позволяет заряжать их с 10% до 80% за 10–30 минут в зависимости от производителя.

Недостатки

Одно дело разработать технологию в теории и совсем другое — применить на практике. Главной сложностью на пути массового производства таких аккумуляторов является чрезвычайная их подверженность влиянию повышенной влажности и окислению под воздействием кислорода.

Еще одним препятствием стало простое механическое давление, под которым необходимо постоянно держать все компоненты батареи: анод, катод и электролит между ними. Если не обеспечить достаточное давление, в процессе разрядки и зарядки между ними образуются микроскопические зазоры, которых, тем не менее, достаточно для образования дендритов — наростов из металлического лития, которые буквально протыкают электролит насквозь и ведут к короткому замыканию.

Образование дендритов в твердотельных батареях

 

Новые разработки - какие производители достигли успеха

В 2023 году компания Toyota, неожиданно для многих, заявила, что готова массово производить твердотельные аккумуляторы с 2027 или 2028 года. По словам инженеров компании, Toyota совершила прорыв в разработке нового типа батарей.

Осенью 2023 года Toyota заявила, что совместно с компанией Idemitsu будет производить на заводе в Тейхо твердотельные аккумуляторы на основе электролита из «твердого сульфида». Именно этот материал показал наилучшие показатели и был выбран основой для будущей продукции.

 

Тем не менее, инженеры Toyota уточняют, что для повышения стабильности и обеспечения лучшего качества производства все еще нужно некоторое время.

Крупнейший мировой производитель аккумуляторов китайская компания CATL (Contemporary Amperex Technology Co Ltd) представила собственную разработку в апреле 2023 года — полутвердотельная батарея или Semi-Solid State Battery. В ней все еще используется жидкий электролит, но его плотность крайне высока, что практически делает его твердым. И все же состав электролита и его исходное состояние больше приближены к тем, что используются в классических литий-ионных аккумуляторах.

CATL отмечает, что повышенная плотность электролита позволила добиться плотности заряда до 500 Втч/кг, тогда как в обычных литий-ионных плотность редко достигает показателя 300 Втч/кг.

Похожую полутвердотельную батарею китайский производитель NIO применил на модели ET7 в декабре 2023 года, отправив автомобиль в путешествие и организовав прямую трансляцию всей поездки, которая продлилась более 14 часов. За это время электромобиль преодолел 1044 км, оставив в запасе 3% заряда.

Батарея, разработанная компанией WeLion, имеет емкость 150 кВтч при массе 575 кг. Каждая ячейка аккумулятора имеет показатель плотности заряда 360 Втч/кг. Автомобиль 92% времени двигался под управлением собственной системы автопилотирования Navigate-on-Pilot+ на скорости до 90 км/ч в диапазоне температуры воздуха от −2 до +12 по Цельсию. Климат-контроль поддерживал в салоне постоянную температуру 20 градусов.

Президент компании NIO Цинь Лихонг отметил, что технология пока новая и обойдется желающим очень дорого — цена только самой батареи сопоставима с целым новым автомобилей компании ET5, то есть примерно $40 000.

Другая китайская компания IM (также известная под брендов Zhiji) представила на Женевском автосалоне модель L6 — младшую модель в семействе седанов, которая впрочем почти достигает 5 метров в длину. Производитель, помимо стандартных литий-ионных, представил и технологию твердотельного аккумулятора, который по европейскому циклу WLTP показал запас хода более 800 км. IM L6 поступит в продажу примерно в середине 2024 года.

   

Перспективы внедрения твердотельных аккумуляторов

У передовой технологии, как водится, есть свои критики и защитники. Скептически настроенные эксперты и участники рынка прогнозируют долгую интеграцию новой технологии из-за того, что солидные средства и инвестиции пока вливаются в доработку литий-ионных батарей, тогда как должны обеспечивать развитие и внедрение твердотельных уже сейчас.

Кроме того, перевод множества конвейеров с выпуска литий-ионных на производство твердотельных аккумуляторов потребует не только значительных вливаний, но и повлечет необходимость утилизировать старое оборудование и заново выстраивать цепочки поставок.

 

Защитники технологии настаивают, что существующая инфраструктура в большинстве случаев прекрасно подходит для использования твердотельных батарей. Кроме того, технология точно привлечет к себе внимания большего числа потенциальных покупателей, так как решает основную проблему электромобилей — необходимость частых и долгих зарядок, падение емкости в сильные морозы, а также сравнительной небольшой запас хода на одном заряде.

При желании узнать свойства и технические характеристики электрокаров в реальных условиях, воспользуйтесь услугами компании «НЕО КАРС». Наши специалисты оперативно предоставят информацию о реальных характеристиках электрических моделей, которые сегодня представлены на российском рынке. В нашем каталоге большой выбор электромобилей и гибридов, таких как Lixiang L9, Zeekr 001, Lotus, Aito M5, Mengshi M-Hero 917, Hiphi Z, BYD U8, Aito M9, Polar Stone 01, которые продаются с фирменной гарантией. Помимо русификации интерфейса и мультимедиа, она включает бесплатные консультации, установку дополнительного оборудования и опций, а также полный перечень сервисных работ по техобслуживанию и ремонту.