До сих пор твердотельные батареи были небольшими. Сегодня задача науки – масштабировать их для электромобилей и запустить рентабельное производство. Несмотря на то, что рынок развивается многообещающими темпами, по-прежнему существует несколько факторов, серьезно сдерживающих рост рынка. Развитие ограничено высокой стоимостью установки твердотельных батарей и сложностями процесса производства. По данным Американского химического общества (ACS), плохая проводимость твердого электролита – является основным фактором, усложняющим производство батарей. Кроме того, твердотельные батареи значительно дороже аналоговых литий-ионных батарей
Экспериментальная почва для смены доминирующего типа батарей на более технологичные
Соучредитель литий-ионной батареи и недавний лауреат Нобелевской премии Джон Б. Гуденаф вместе с коллегой-исследователем Марией Хеленой Брага опубликовали в 2017 году статью о разработке недорогой батареи на основе стеклянного электролита. «Негорючая батарея с длительным сроком службы, высокой объемной плотностью энергии, скоростью заряда и разряда», – стали основными характеристиками твердотельной батареи (Solid-state battery, SSB), описываемой в авторском материале.
«Твердотельный аккумулятор может решить большинство проблем современных литий-ионных аккумуляторов. Стеклянная твердотельная батарея может иметь плотность энергии, в три раза превосходящую литий-ионную. Это достигается за счет использования анода из щелочного металла (лития, натрия или калия), который увеличивает плотность энергии катода и обеспечивает длительный срок службы. Предполагается, что твердотельный электролит негорюч или, по крайней мере, устойчив к самовоспламенению. Негорючесть твердотельных батарей также снижает риск теплового разгона, позволяя плотно упаковывать элементы и, следовательно, улучшать гибкость конструкции и объемную непроницаемость», – писали о своем открытии исследователи.
Кроме того, Брага и Гуденаф обнаружили, что электролиты из твердого стекла могут работать и поддерживать высокую проводимость при отрицательных температурах до -20 ° C, устраняя тем самым главный недостаток стандартных аккумуляторов электромобилей.
Использование этих преимуществ может привести к широкому внедрению аккумуляторов в автоиндустрии. Значительный спрос продукта ожидается в отраслях тяжелого автомобильного транспорта и судоходства. Что касается водного транспорта, то, вероятно, первыми на эксперименты пойдут секторы паромов и морских перевозок, за которыми в использовании гибридных приложений последует глубоководное судоходство. Безопасность solid-state battery (SSB) также может расширить ареол его использования для летательных аппаратов: дронов – для доставки товаров на последней миле, вертолетов – для городской воздушной мобильности и даже для крупных пассажирских самолетов.
Преимущества широкого использования SSB-зарядки в транспорте:
- повышенная эффективность преобразования энергии,
- меньший шум,
- сокращение выбросов парниковых газов при использовании возобновляемых источников энергии.
Обладая всеми этими преимуществами, многие производители оригинального автомобильного оборудования присоединяются к твердотельным разработкам, приобретая доли в производствах аккумуляторов с SSB-технологией.
Инновационные SSB-технологии и действующая система управления аккумуляторными батареями
Типичный аккумуляторный элемент состоит из катода, анода, сепаратора и электролита. Одна из самых успешных современных батарей – основана на литий-ионной технологии и коммерциализирована с 1991 года. Однако всемирный успех и использование в бытовой электронике и электромобилях – не являются факторами, которые будут скрывать их недостатки. Наоборот, массовое применение требует новых конкурентных характеристик и усовершенствований.
Давайте сравним «настоящий успех» и «потенциальный прорыв», который может сместить литий-ионные зарядные устройства с почетного пьедестала. Итак, в литий-ионных технологиях используется жидкий электролит с солями лития LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 в органическом растворителе. Однако граница раздела твердого электролита (SEI), которая является результатом разложения электролита на отрицательном электроде, ограничивает эффективную проводимость. Кроме того, жидкий электролит требует дорогих мембран для разделения катода и анода, а также непроницаемого кожуха, чтобы избежать утечки. Следовательно, размер и свобода конструкции этих батарей ограничены. Кроме того, жидкие электролиты имеют проблемы с безопасностью и здоровьем потребителей, поскольку они используют легковоспламеняющиеся и коррозионные жидкости. К примеру, Firegate от Samsung с десятками возгораний электромобилей в очередной раз подчеркнули риски, которым подвергаются даже крупные компании при использовании легковоспламеняющихся жидких электролитов.
Твердотельные электролиты могут решить все эти проблемы, особенно на рынках электромобилей, носимых устройств и дронов. Впервые их применение было зафиксировано в 70-х годах в качестве первичных батарей для кардиостимуляторов, когда лист литиевого металла контактировал с твердым йодом. Два материала вели себя как короткозамкнутый элемент, и их реакция приводила к образованию слоя иодида лития (LiI) на границе их раздела. После образования слоя LiI очень небольшой постоянный ток мог течь от литиевого анода к йодному катоду в течение нескольких лет.
Спустя почти 40 лет, а точнее в 2011 году, исследователи из Toyota и Токийского технологического института заявили об открытии материала на основе сульфидов, который имел такую же ионную проводимость, что и жидкий электролит. Это было немыслимо и сенсационно!
Пять лет спустя, они смогли удвоить это значение, что сделало твердотельные электролиты привлекательными для приложений с высокой мощностью и быстрой зарядки. С недавнего времени мы стали часто слышать от автогигантов о том, что твердотельные батареи будут использоваться в электромобилях через несколько лет. Это значит, что мировые автоконцерны стали инвестировать в исследования, новые категории материалов и систем хранения энергии, которые в потенциале могли бы утроить текущую плотность энергии литий-ионных аккумуляторов.
История создания «твердотельной ионики»
- 1831 – 1834 гг. – Майкл Фарадей открыл твердые электролиты – сульфид серебра и фторид свинца, которые заложили основу «твердотельной ионики».
1950-е гг. – в нескольких электрохимических системах использовались твердые электролиты. Они использовали ион серебра, но имели низкую плотность энергии и напряжения в ячейках, а также высокое внутреннее сопротивление. Новый класс твердотельных электролитов, разработанный Окриджской национальной лабораторией в 1990-х годах, был использован для изготовления тонкопленочных литий-ионных батарей. - 2011 г. – компания Bollore выпустила Blue Car с литий-полимерным аккумулятором (LMP), емкостью 30 кВт • ч, с полимерным электролитом, созданным путем растворения соли лития в сополимере (полиоксиэтилене).
- 2013 г. – исследователи из Университета Колорадо в Боулдере объявили о разработке твердотельной литиевой батареи с твердым композитным катодом на основе химии железа и серы, которая сулила более высокую энергоемкость.
- 2014 г. – исследователи из Sakti 3 анонсировали твердотельный литий-ионный аккумулятор, требующий более высокой плотности энергии при более низкой стоимости. Toyota объявила о своих усилиях по разработке твердотельных аккумуляторов и большинство патентов в этой отрасли принадлежит ей. В 2015 году компания Sakti 3 была приобретена компанией Dyson.
- 2017 г. – Джон Гуденаф, соавтор литий-ионных батарей, представил SSB-батарею, в которой использовался стеклянный электролит и анод из щелочного металла, состоящий из лития, натрия, калия.
Toyota объявила об углублении своего многолетнего партнерства с Panasonic, включая сотрудничество в области твердотельных аккумуляторов.
Производители автомобилей, которые также начали разработки твердотельных аккумуляторов в 2017 году – это BMW, Honda, Hyundai Motor Company и Nissan. Производитель бытовой техники Dyson в этом же году объявил, а затем отказался от плана по созданию электромобиля. Fisker Inc. заявила, что ее технология твердотельных аккумуляторов будет готова для «автомобильного производства» в 2023 году. Производитель свечей зажигания NGK разрабатывает твердотельные батареи на керамической основе. - 2018 г. – компания Solid Power, созданная на основе исследований CU Boulder, получила $20 млн на финансирование небольшой производственной линии по созданию твердотельных перезаряжаемых литий-металлических батарей с прогнозируемой мощностью 10 мегаватт-часов в год.
«Фольксваген» объявила об инвестициях в размере $100 млн в Quantum Scape, стартап по производству твердотельных батарей, основанный в Стэнфорде.
Китайская компания Qing Tao запустила линию по производству твердотельных аккумуляторов. - 2019 г. – Cymbet запустила систему управления питанием следующего поколения с семейством продуктов RTC (PMRTC). Это новое семейство продуктов PMRTC поддерживает зарядное напряжение для различных источников резервного питания – EnerChip, аккумуляторов типа «таблетка» и суперконденсаторов.
Ford Motor Company (США) в партнерстве с Solid Power разработала полностью твердотельные батареи (ASSB) для электромобилей с упором на конкретные автомобильные требования. - 2020 г. – Toyota Motor и Panasonic (Япония) объявили о создании совместного предприятия Prime Planet Energy and Solutions, которое занимается проектированием и разработкой передовых аккумуляторов для электромобилей.
Новости в области расширения диапазона аккумуляторов для электромобилей
Исторически так сложилось, что автоиндустрия для удовлетворения покупательского спроса идет впереди планеты всей, что, собственно, и доказывает рождение самого электрокара и всей последовавшей за ним череды инноваций от комплектующих, до инфраструктуры. К примеру, разработка аккумуляторных технологий и систем управления батареями опирается на последние достижения в исследованиях, проектировании и производственных процессах для создания следующего поколения надежных и безопасных электромобилей.
Электромобили постоянно усовершенствуются с точки зрения пробега, производительности и времени зарядки. Но остается ряд характеристик, требующих большего прогресса. В то время как количество гибридных автомобилей продолжает расти, ряд характеристик электрических автомобилей препятствует оказанию достойной конкуренции двигателю внутреннего сгорания.
Во-первых, большинство электромобилей и гибридов полагается на электродвигатели, работающие на литий-ионных аккумуляторах с использованием той же технологии, которая используется в смартфонах и ноутбуках.
Во-вторых, использование жидкого электролита в литий-ионных батареях имеет ряд недостатков. Емкость и способность сохранять максимальный заряд со временем ухудшаются. Литий-ионные аккумуляторы выделяют много тепла, что требует интеграции в их конструкцию тяжелых систем охлаждения. Благодаря содержащейся в них легковоспламеняющейся жидкости литий-ионные батареи могут загореться или даже взорваться в случае повреждения или в результате аварии.
В течение последних нескольких лет автопроизводители начали упоминать SSB-технологии, как прорывное решение для электромобилей, ссылаясь на высокую производительность и запас хода. Что же делает технологию твердотельных аккумуляторов такой подходящей для электромобилей и как они работают – или это всего лишь набор электронных устройств усовершенствованного предыдущего поколения?
В SSB-батареях и электроды, и электролиты – твердотельные
Твердотельный электролит обычно ведет себя так же, как сепаратор, позволяя уменьшить масштаб за счет исключения определенных компонентов (например, сепаратора и корпуса). Следовательно, они потенциально могут быть сделаны более тонкими, гибкими и содержать больше энергии на единицу веса, чем обычные литий-ионные. Кроме того, удаление жидких электролитов может быть способом создания более безопасных и долговечных батарей, поскольку они более устойчивы к изменениям температуры и физическим повреждениям, возникающим во время использования. Твердотельные аккумуляторы могут выдерживать большее количество циклов зарядки/разрядки до того, как выйдут из строя, гарантируя более длительный срок службы.
Почему политика декарбонизации будет содействовать спросу на твердотельные зарядные устройства
Быстрый рост рынка электромобилей стимулировал разработку, производство и продажу аккумуляторов. Мировой парк электромобилей в 2020 году вырос до 5 млн единиц. В течение текущего десятилетия электромобили уже не будут редкостью на дорогах, потому что к 2025 году их число, по прогнозам, увеличится в 8 раз, до 40 млн ед. По сравнению с предыдущим годом, продажи автомобилей увеличились более чем вдвое и эта динамика не имеет отрицательной траектории, даже несмотря на проблемы с коронакризисом и нарушением цепи поставок микрочипов, которые испытывает автоиндустрия.
Подстегиваемые политикой декарбонизации и чистой окружающей среды, водители по всему миру покупают экологически чистые автомобили. Именно политическая среда, прежде всего, задает тон распространению электромобилей, поскольку все ведущие страны рынка электромобилей имеют проекты по продвижению электромобилей. Так, Европа и Китай – являются крупнейшими покупателями электрокаров. Касательно Китая, государственные кредиты и субсидии помогут электромобилям вырасти к 2030 году так, что на их долю будет приходиться более ¼ всего автомобильного рынка. А ужесточение стандартов выбросов и повышение налогов на топливо в Европе будут всесторонне стимулировать рост парка электромобилей.
Недостатки SSB-батарей кроются в понятии «скрытая мощь»
Вы можете задаться вопросом, почему твердотельные батареи не используются в электромобилях, учитывая, что они считаются панацеей от проблем литий-ионных батарей. Но сложность с твердотельными батареями заключается в том, что их очень сложно производить в больших масштабах.
Мало того, в настоящее время они слишком дороги для коммерческого использования. Еще предстоит проделать большую работу, чтобы подготовить их к массовому использованию, особенно в электромобилях.
На данный момент все еще существует необходимость найти правильный атомный и химический состав твердого электролита, который имел бы правильную ионную проводимость, чтобы обеспечить достаточную мощность для электромотора.
Потенциал твердотельных аккумуляторов мы бы назвали одним, но очень емким словом – «скрытая мощь», поскольку они еще не проявили себя в реальных условиях даже в потребительских гаджетах, не говоря уже об электрокарах.
Правильный выбор твердого электролита особо важен, поскольку является предшественником, позволяющим использовать литиевые аноды, которые могут производить больше ионов лития и, следовательно, больше энергии. Возможно, твердотельный электрод станет решением проблемы повреждения игольчатых структур, называемых дендритами, которые образуются на аноде при его зарядке.
Твердотельные батареи – объединяют конкурентов
- Потенциал твердотельных аккумуляторов настолько высок, что Toyota, Honda и Nissan объединились для создания консорциума Libtec. Партнерский SSB -аккумулятор, внедренный в автомобиль, должен предстать зрителю на Олимпийских играх в Токио этим летом.
- В то же время Toyota заявляет, что имеет потенциал наладить массовое производство твердотельных батарей до середины десятилетия. Другой производитель автомобилей – Volkswagen, также предполагает, что твердотельные батареи могут быть готовы к использованию в автомобилях к 2025 году.
- IBM и Daimler работают вместе, чтобы лучше понять технологию SSB-аккумуляторов.
«Нам нужно найти принципиально иной химический состав, чтобы создать батареи будущего», – говорит Кэти Пиццолато, директор по исследованиям приложений в IBM. – Квантовые вычисления могут позволить нам эффективно заглянуть внутрь химических реакций батарей, чтобы лучше понять материалы и реакции, которые дадут миру лучшие решения».
- Производитель пылесосов и других технологий Dyson планировал к 2021 году создать электромобиль, работающий на твердотельных аккумуляторах. Но прошлой осенью он отказался от своих планов в отношении автомобилей, хотя и намерен продолжать работу над аккумуляторной технологией.
- Fisker Inc – реинкарнация рухнувшей Fisker Automotive, ранее заявляла о высоких амбициях иметь автомобиль с solid-state battery к 2020 году. Но на выставке Consumer Electronics Show-2021 он просто продемонстрировал внедорожник Ocean с литий-ионными батареями, не проронив ни слова о настройке твердотельной батареи.
- Несмотря на то, что разработка твердотельных аккумуляторов ведется очень активно, надо понимать, что это игра вдолгую и завтра мы точно не встретим электромобиль с SSB-питанием на дорогах.
- Компания Panasonic – один из крупнейших производителей литий-ионных аккумуляторов в мире, может сыграть также немаловажную роль в гонке с батареями. Она является совладельцем Gigafactory Tesla и поставляет аккумуляторы для автомобилей Tesla, и считает, что улучшение аккумуляторов электромобилей в краткосрочной перспективе произойдет за счет дальнейшей разработки литий-ионных аккумуляторов.
- Кстати, Tesla пока что активно работает над улучшением характеристик литий-ионных аккумуляторов. В прошлом году она презентовала новую разработку, которая сможет обеспечить единоразовую электрозарядку на расстояние в 1, 6 тыс км.
Мнение аналитиков Megatrends
Мы живем в эпоху торжества энергии, когда отопление и освещение электрические, а компьютеры позволяют нам контролировать практически все. Основная проблема вырабатываемой электроэнергии – это ее хранение.
Учитывая улучшения литий-ионных батарей и объем, который можно извлечь из них, а также то, что они уже производятся массово, маловероятно, что мы увидим их вытеснение твердотельными батареями в скором будущем.
Но solid-state battery действительно выглядят как будущий источник энергии для электромобилей, просто путь к ним может оказаться дольше, чем предполагалось на первый взгляд. Но учитывая, что батареи из твердотельных аккумуляторов являются давней мечтой многих автопроизводителей, мы считаем, что партнерство как никогда важно для объединения всех необходимых ноу-хау в области SSB-питания: технологий, оборудования, крупносерийного высокопроизводительного производства и конечных систем.
Партнеры, обладающие новыми технологиями в области керамических материалов и устройств на основе керамики, а также опытом в области взаимодействия литий-металлических анодов и электродов/электролит, могут быть чрезвычайно полезны для сокращения времени, необходимого для вывода твердотельных аккумуляторов на рынок.
В аналитических обзорах Megatrends тема технологий – самый востребованный тренд. В открытом доступе вы всегда можете найти полезную для себя информацию по отрасли или отдельной компании для принятия инвестиционно-верного решения. Оставайтесь с нами и будьте на гребне мегатрендов!
