Технологии "Разгадка квеста твердотельных аккумуляторов"



Александр ВАДИМОВ

 

Чтобы построить недорогой и безопасный электромобиль с дальностью пробега на одной зарядке не менее 500 миль (804,67 км), автопроизводителям необходим технологический прорыв в разработках аккумуляторных батарей.

 

Достичь этого прорыва сложно из-за определенных пробелов в области химии и физики, требующих затратных исследований. Не способствует прогрессу и то, что все внимание производителей АКБ сейчас сосредоточено вокруг ранее наработанных технологий, из которых они пытаются выжать максимум возможной пользы. Но, несмотря на это, ученые из Японии, Китая и Соединенных Штатов усиленно ищут новые решения, способные значительно увеличить емкость аккумуляторных батарей, чтобы на одной зарядке электромобиль смог проехать столько же, сколько современный автомобиль, оснащенный ДВС, проезжает на полном топливном баке.

Инженер Джон Глоуз из исследовательского центра Battery House считает, что главная задача инженеров состоит в разработке жизнеспособных и эффективных твердотельных химических батарей. По его словам, усилия разработчиков в области источников питания нацелены на отладку твердотельной технологии и перестроение внутренней архитектуры батареи, чтобы для производства «долгоиграющих» батарей использовать твердые материалы вместо жидкостных электролитов. Если твердотельная технология будет развиваться по задуманному, время зарядки электрических транспортных средств (далее ЭТС) сократится до заветных 5–10 минут, что неминуемо поспособствует переходу автомобилей с ДВС в анналы истории.

Сеть суперзарядок (The Supercharger Network), построенная компанией Tesla Inc., демонстрирует сегодня один из самых быстрых показателей по времени зарядки. Примерно 30 минут потребуется зарядному комплексу Tesla, чтобы пополнить запас полностью опустошенной батареи электромобиля до 80 процентов от полного объема. «Но время технологий литий-ионных батарей уходит. Одно то, что батарея для Tesla Model S емкостью 85 кВт/ч, стоит 12 тысяч долларов, говорит о пределе литий-ионных возможностей. Да и запасы этих веществ в природе ограничены», – делится соображениями Д. Глоуз.

«Мы не видим другого способа добраться в мир моментальной зарядки и недорогих батарей без твердотельных технологий, – говорит старший менеджер по стратегии и исследованиям в области хранения энергии в Ford Motor Co. Тед Миллер, который давно изучает и анализирует различные технологии разработки мощных и емких батарей для ЭТС. – Но есть одна важная проблема – я не могу назвать вам потенциальных кандидатов, которые готовы прямо сейчас поставить все это дело с единичных разработок на коммерческую основу».

Над твердотельной батареей работают разные компании. Самые крупные – Daimler AG и Fisker Inc, китайский литиевый гигант группа компаний Ganfeng Lithium и Tianqi Lithium, французская нефтяная компания Total SA и некоторые перспективные спиноффы (компании, созданные на базе университетских научных разработок) из Массачусетского технологического института и Стэндфордского университета.

Американский производитель электромобилей компания Fisker Inc. заявила, что может провести первые испытания электромобилей с твердотельными батареями уже в 2019 г., в то время как Toyota и Daimler продлили сроки обнародования своих «твердотельных экспериментов» до начала 2020-х гг.

Ставки в этой игре невероятно высоки. Ожидается, что с внедрения подобного типа батарей начнется бесповоротная замена двигателя внутреннего сгорания на электромоторы. Дата начала массового производства твердотельной автомобильной батареи войдет в историю, как завершение эпохи ДВС.

В докладе New Energy Finance (с англ. финансы новой энергии) от Bloomberg утверждается, что в 2017 г. на долю электрических автобусов и легковых автомобилей пришлось 44 гигаватт-часов расхода от общего объема энергии литий-ионных батарей, а к 2030 г. спрос на «законсервированную энергию» прогнозируется до более чем 1500 гигаватт-часов в год. Любой, у кого есть жизнеспособная твердотельная батарея, превосходящая по характеристикам литий-ионную технологию, может получить существенное преимущество на рынке всех ЭТС, рост которого оценивается до 84 млрд долларов к 2025 г., по сравнению с 23 млрд сейчас, в соответствии с данными швейцарского финансового холдинга UBS Group AG.

Литий-ионная технология базируется на жидкостном электролите, в твердотельных батареях роль электролита выполняют материалы в твердом состоянии – керамика, стекло или полимеры.

Электролитом является токопроводящая смесь, которая обеспечивает прохождение заряженных частиц между положительными и отрицательными полюсами – анодом и катодом. Твердотельные батареи работают по тому же принципу, что и ионные. В процессе зарядки ионы лития перемещаются на катод, откуда при выключении зарядного устройства отправляются в свободное плавание через электролит обратно к аноду, создавая электрический ток. Замена материалов компонентов позволяет в несколько раз увеличить объем запасаемой энергии, многократно снизить время зарядки, повысить надежность и безопасность, увеличить срок эксплуатации.

Твердотельные электролиты меньше вступают в побочные химические реакции, и их не придется менять через каждые 2 года эксплуатации, т.к. срок их использования возрастает. Кроме этого, низкая реакционная способность гарантирует, что они не воспламенятся и не взорвутся от производственных дефектов или при физических повреждениях.

Существующие литий-ионные батареи уже достигли пределов своих возможностей хранения энергии и больше не способны сохранять достаточную мощность для электромобилей, которым требуется запас хода на большие расстояния. Основные преимущества твердотельных батарей –быстрая зарядка (в 6 раз быстрее нынешних), удвоение емкости и длительный жизненный цикл – около 10 лет.

Но при всех плюсах, у твердотельных АКБ есть и неприятные особенности, с которыми и пытаются справиться разработчики. Основная проблема твердотельного аккумулятора в низкой проводимости наполнителя. Продвижение ионов через твердый электролит затруднено по сравнению с жидкостным. Из-за этого твердотельные батареи не в состоянии обеспечить требуемое высокое напряжение. Также при проведении зарядки они, бывает, ведут себя непредсказуемо – иногда слишком расширяясь или чересчур сжимаясь. Еще один существенный их недостаток – высокая себестоимость производства. Перспективные модели твердотельных аккумуляторов требуют гораздо больше вложений, по сравнению с традиционными.

Пока твердотельные аккумуляторы застряли на этапе разработок, хотя совсем недавно исследователи из MIT и Samsung заявляли, что уже преодолели главную загадку твердого электролита – низкую скорость продвижения ионов. Со слов представителя Samsung, телефоны первыми получат твердотельные батареи, а к 2025 г., после тщательных испытаний, аккумулятор с твердым проводящим веществом начнут применять и в электромобилях.

Несмотря на то, что литий-ионные АКБ недостаточно мощны, быстро деградируют, долго заряжаются и далеко небезопасны, на сегодняшний день ничто не может заменить их в потребительской электронике. Преимущества твердотельных технологий пока просматриваются только в перспективе.

Разработчики ищут пути совершенствования, например, хотят соединить твердый электролит с металлическим анодом лития, чтобы улучшить показатели емкости энергии, что позволит ЭТС путешествовать на большие расстояния без «дозаправок». Это поможет потребителям избавиться от опасений разрядки батареи в середине пути, что увеличит продажи электромобилей.

Китайский научно-исследовательский институт «Новой Энергии Циндао» рассматривает возможность выпуска коммерческого твердотельного продукта к 2025 г. Amperex Technology Ltd., самый большой производитель источников питания Китая, включил твердотельные опыты в список приоритетных исследований. Южнокорейские Samsung SDI Co., SK Innovation Co. и Hyundai Motor Co. заявили, что также разрабатывают твердотельную технологию. Знаменитый британский производитель пылесосов и другой бытовой техники Dyson Ltd обозначил в 2018 г. свою нацеленность на решение проблем твердотельных АКБ для электромобилей.

«Мы должны увидеть прототипы для легковых автомобилей в начале 2020-х годов», – сказал руководитель аккумуляторных исследований в Daimler Андреас Хинтеннах. Volkswagen AG планирует начать пробное совместное производство твердотелов со своим партнером, корпорацией QuantumScape Corp. в 2022 г. Поставщик АКБ для Tesla японский производитель Panasonic заявил, что продолжает исследовать твердотельные технологии, несмотря на множество препятствий для коммерциализации технологии.

Самая большая надежда на прорыв сегодня возлагается на Toyota, считают ученые, и это подтверждается патентными данными. Крупнейший автопроизводитель Азии инвестирует 1,5 трлн иен (13,9 млрд дол.) в свой аккумуляторный бизнес и планирует коммерциализировать твердотельные технологии к началу 2020-х гг., что подтверждается его годовым отчетом, опубликованном в октябре 2018 г. Компания Toyota далеко продвинулась в использовании твердотельных батарей для питания цифровых часов, двухколесных скутеров и лент транспортеров, прежде чем начала опробовать эти технологии в адаптированной версии COMS, его одноместном тихоходном электромобиле.

Ключевыми соперниками Toyota могут стать многочисленные кластеры американских стартапов. Разработчик Solid Power из Колорадо заключил партнерское соглашение с BMW AG в декабре 2017 г. Генеральный директор компании Дуг Кэмпбелл говорит, что уверен в том, что твердотельные технологии будут коммерчески жизнеспособными во всех автомобилях, но только не в ближайшие пять лет.

Твердотельные батареи однозначно займут место литий-ионных, но, когда это точно произойдет, никто сказать не в состоянии. Ясно только одно, кто первым разработает совершенный конкурентоспособный коммерческий продукт, тот с большой вероятностью может стать хозяином глобального рынка электромобилей и бытовой электроники.