Как технологии твердотельных Ssbt-аккумуляторов изменят мир

Прошло около 30 лет с момента появления на рынке первой в мире литий-ионной батареи. Считается, что революция в отрасли аккумуляторов совершается примерно каждые 30 лет, поэтому ожидание технологичных альтернатив усиливается. Физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития и в 2019 году получил за свою идею нобелевскую премию. Вполне возможно, что аккумуляторами будущего станут твердотельные аккумуляторы-Ssbt с твёрдым электролитом и другим составом электродов

• Во всех смартфонах, планшетах, ноутбуках, смарт-часах и других портативных гаджетах наиболее подходящий аккумулятор подбирается на этапе инженерного конструирования. Производители последние годы с особым усердием стремятся внедрить новейшие технологии энергосбережения. Сомневаюсь, что кто-то может не согласиться с утверждением, что мир без батареек, в котором мы живем, был бы совершенно иным.
• Есть батареи, которые уже более 10 лет доминируют на рынке, конкурируя между собой – это литий-ионные и литий-полимерные.
• Но этим батареям присущи некоторые проблемы (например, ограниченный срок службы), они далеки от «экологически чистого» решения для питания портативных устройств. Порой разработчикам удаётся достичь максимально длительного цикла автономности. Но в угоду концептуальных особенностей будущего продукта (например, тонкий корпус или огромная камера без увеличения габаритов) даже самые крутые системы экономии расхода заряда не отвечают нашим запросам.
• Поскольку мы все больше становимся зависимыми от смартфонов, было бы здорово, чтобы батареи, питающие их, выдерживали нагрузку 24 часа в сутки 7 дней в неделю! И это, к счастью, не пустые мечты, а новейшие Solid-state battery technology (Ssbt), которые произведут революцию в мире твердотельных батарей. Это невероятная и быстро развивающаяся область, из которой мы все извлечем выгоду в не столь отдаленном будущем.

Что такое твердотельный аккумулятор?

• Твердотельные батареи (Solid-state battery technology, Ssbt), как следует из их названия, представляют собой батареи, которые имеют как твердые электроды, так и твердые электролиты. Это быстро развивающаяся технология нового поколения батарей, которая пришла на смену литий-ионным и литий-полимерным лидерам рынка.
• Ssbt-батареи имеют сравнительно низкую воспламеняемость, более высокую электрохимическую стабильность, существенный потенциал катодов и значительную плотность энергии, в сравнении с батареями с жидким электролитом.
• Эти функции, плюс их высокая производительность, невероятная безопасность и относительно низкая стоимость выпуска могут оказаться революционными для многих отраслей, в которых используются аккумуляторные технологии.
• На сегодняшний день существуют различные формы твердотельных Ssbt-батарей, которые, в первую очередь, различаются материалами, из которых изготовлены анод и катод, а также используемыми электролитами. Оксиды, сульфиды, фосфаты, простые и сложные полиэфиры, нитрилы, полисилоксаны, полиуретаны – это лишь некоторые из вариантов, которые в настоящее время исследуются и тестируются.
• Большинство разработок в области Ssbt-технологий, как правило, делятся на две категории – неорганические и органические твердые электролиты. Первые – в виде керамики, лучше всего подходят для жестких аккумуляторных систем, которые должны работать в суровых условиях окружающей среды, например, при высоких температурах. Вторые – в виде полимеров, легкие в обработке (и, следовательно, дешевле), лучше всего подходят для гибких устройств.

Проблемы рынка литий-ионных батарей

• В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. С стране постоянны перебои в цепи поставок и зафиксированы случаи использования детского труда – это оттолкнуло многие компании от заказов у данного поставщика.
• Цена на кобальт в марте 2021 года выросла до $52 за 1 кг, к концу 2021 года она достигнет $57, а в 2024 году составит $80.
• Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года – выросли вдвое, по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.
• Есть опасения экспертов, что пока что рынок наблюдает только рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с дефицитом металла.

В чем разница между твердотельными и литий-ионными батареями?

Прежде чем мы перейдем к определению, что такое твердотельный аккумулятор или Solid-state battery technology, стоит вкратце рассказать, что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает.
Литий-ионные батареи, которые сегодня можно найти во многих электронных устройствах, обычно состоят из следующих компонентов:

1. Катод – часть батареи, которая хранит положительные ионы (катионы), такие как литий +, и, как правило, состоит из оксидов металлов.
2. Анод – сделан из углерода (в литий-ионных батареях), а также хранит литий.
3. Сепаратор – этот материал, как ни странно, разделяет анод и катод, а также блокирует поток электронов, но позволяет ионам проходить через него.
4. Электролит – это жидкость, которая разделяет два электрода и переносит катионы лития от анода к катоду при разрядке (и, наоборот, при зарядке).
5. Коллекторы тока – как положительные, так и отрицательные.

Когда батарея подключена к электронному устройству, положительно заряженные ионы движутся от анода батареи к ее катоду. Это заставляет катод становиться положительно заряженным (по сравнению с анодом), что, в свою очередь, притягивает к катоду больше отрицательно заряженных электронов.
Сепаратор в батарее включает электролиты, которые образуют катализатор для ускорения процесса и перемещения ионов и электронов к аноду и катоду. Этот процесс приводит к появлению свободных электронов на аноде, что создает заряд на положительном токосъемнике батареи.
Затем электрический ток течет от коллектора тока через устройство и обратно к коллектору отрицательного тока батареи.
Когда литий-ионные батареи заряжаются, происходит тот же процесс, но в обратном направлении, восстанавливая батарею для разряда.
В твердотельных Ssbt-батареях используется твердый электролит, а не жидкий. Этот твердый электролит имеет тенденцию действовать как разделитель аккумулятора.
В остальном, процесс очень похож на процесс с литий-ионными батареями, но варьируется в зависимости от типа рассматриваемого твердотельного аккумулятора (например, натрий-ионный и т. д.).

Преимущества твердотельных батарей перед традиционными

Одно из главных преимуществ – безопасность. Жидким электролитам присущи некоторые проблемы. При более высоком напряжении внутри электролитов образуются нити металлического лития, что со временем увеличивает риск короткого замыкания батареи. Поэтому, электролиты в современных литий-ионных батареях легко воспламеняются.
Склонность к образованию литиевых нитей и присущая жидкому электролиту воспламеняемость создают “бомбу замедленного действия”, которая может вызывать самопроизвольное возгорание.
Именно здесь твердотельные батареи обеспечивают гораздо больший уровень безопасности, чем литий-ионные батареи. Например, использование альтернативных керамических электролитов имеет гораздо меньшую вероятность возгорания. Керамические материалы также помогают предотвратить образование литиевых нитей, которые теоретически могут позволить таким батареям работать при гораздо более высоких напряжениях.
Однако керамика достаточно хрупкий материал и может оказаться проблематичным при эксплуатации и производстве. Существуют решения, позволяющие упредить эту проблему, к примеру, пропитка керамики наночастицами графена.

Это не только увеличивает долговечность керамических электролитов, но помогает усиливать их ионную проводимость.

Помните, что электролиты проводят ионы, а не электричество?

Эксперименты в этой области, проводимые группами, к примеру, из университета Брауна, показали, что этот раствор может удвоить или утроить прочность керамического электролита, сохраняя его полезность в качестве потенциального электролита и сепаратора твердотельной Ssbt-батареи.
Другие варианты включают использование органических катодов в сочетании с твердотельными ионно-натриевыми батареями. Это интересно, поскольку существующие натриево-ионные батареи, хоть и являются твердотельными, не обладают плотностью энергии литий-ионных батарей.
Другая проблема, связанная с твердотельными батареями (solid-state battery) такого типа, заключается в том, что слой неактивных кристаллов натрия имеет тенденцию нарастать на катоде, блокируя движение ионов натрия и эффективно разрушая батарею.
Так, используя катод из пирен-4, 5, 9, 10-тетраона (PTO), исследовательская группа из Хьюстонского университета обнаружила, что этот вид катода имеет много преимуществ, по сравнению с неорганическими, более традиционными катодами. Например, использование PTO позволяет фактически поменять местами резистивную поверхность раздела между катодом и электролитом. Это имеет большое значение для стабильности и увеличения срока службы таких батарей, а также для повышения плотности энергии.

Обеспечивая тесный контакт между жестким катодом и твердым электролитом, независимо от изменения диаметра катода во время цикла батареи, это может изменить правила игры для solid-state battery.
Но сбрасывать со счетов натриево-ионные твердотельные батареи пока не стоит. Поскольку другие исследовательские группы работают над поиском решения проблем, присущих именно этой технологии. Группа из университета штата Вашингтон (WSU) и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) нашла способ предотвращения накопления неактивного натрия на катодах. Они обнаружили, что создание катода из оксида металла, пропитанного дополнительными ионами натрия, позволило беспрепятственно производить электричество. Это также может оказаться революционным шагом, потому что позволит производить натрий-ионные батареи наравне с литий-ионными альтернативами.

После 1000 практических циклов перезарядки – это решение сохранило почти 80% плотности своей энергии.
Это значит, что даже если solid-state battery technology, как упоминалось ранее, считается лучшей альтернативой литий-ионным батареям, могут появиться компромиссные технологии – твердотельные литиевые батареи. Исследовательская группа из Мичиганского университета работает именно над этим проектом. Им удалось интегрировать твердые керамические электролиты в литий-ионные батареи и продемонстрировать заметное улучшение долговечности и срока службы, по сравнению с более традиционными литий-ионными батареями. Такой подход также позволил увеличить скорость зарядки аккумуляторов.
Есть исследователи, совершившие прорыв в производстве твердотельных литиевых батарей для 3D-печати. В случае масштабирования проекта до производства, это нововведение позволит удешевить производство литий-ионных аккумуляторов, которые имеют ряд преимуществ перед другими аккумуляторами SSD (например, безопасность, повышенная плотность энергии и т. д.).
Все бы хорошо, но в новых батареях по-прежнему используются литий-ионы, которые встречаются в природе редко и не являются самыми «чистыми» материалами при добыче и обработке. Это еще одно важное различие между литий-ионными батареями и их твердотельными альтернативами – неотъемлемое влияние на окружающую среду. Литий-ионным батареям требуются такие токсичные компоненты, как кобальт и, разумеется, сам литий.
Эти материалы относительно редки, дороги в добыче и переработке, их добывают на рудниках в бедных странах или регионах, где мало или вообще не уделяется внимание благополучию рабочих и окружающей среде.
Если вы помните, мы рассказывали в предыдущих статьях о возможных победителях и проигравших в индустрии электромобилей, потому что добыча лития требует огромного количества воды как в процессе экстракции, так и в бассейнах испарения, которые используются для производства кристаллов, богатых литием. Добыча и переработка лития – очень опасная работа и чрезвычайно разрушительна для окружающей экосистемы.

Похожая история у кобальта, который часто добывают на так называемых «кустарных рудниках». Эти небольшие шахты часто связаны с использованием детского труда в ужасных условиях, которые выбрасывают большое количество вредных веществ, переносимых воздухом (уран – в воздух, а также большое количество серы – в воду).
С другой стороны, твердотельные Ssbt-батареи содержат в себе такие распространенные и менее токсичные составляющие элементы, как натрий. Экстракция натрия, в изобилии встречающаяся в соленой воде, несет гораздо меньшее вредное воздействие на окружающую среду. Это позволит конкурировать с литий-ионными батареями и по цене, и по качеству.

Преимущества твердотельных Ssbt-батарей

Выше мы уже коснулись некоторых ключевых преимуществ solid-state battery, но каковы другие важные преимущества этой технологии?

• Более быстрая зарядка – твердотельные батареи обеспечивают гораздо более высокую скорость зарядки. В зависимости от технологии, некоторые из них могут заряжаться в шесть раз быстрее, чем литий-ионные аккумуляторные батареи. Если исследования квантовых твердотельных накопителей в конечном итоге окажутся успешными, можно будет заряжать solid-state battery практически мгновенно.
• Более высокая плотность энергии – еще одно потенциальное преимущество твердотельных батарей. У некоторых технологий его может быть вдвое больше, чем у литий-ионных батарей при том же объеме.
• Значительно увеличенный срок службы – одно из основных преимуществ твердотельных Ssbt-батарей. Срок службы заряда-разряда-перезарядки – может быть продлен до десяти лет, по сравнению с более скромными двумя годами у традиционных альтернатив.
• Сниженная скорость утечки (саморазряд) – еще одно потенциальное преимущество твердотельных батарей. Их можно сделать меньше и дешевле (теоретически твердотельные батареи могут быть гораздо меньше) литий-ионных альтернатив.
• Безопасность – основным преимуществом твердотельных батарей является их относительная безопасность. Они не производят газообразный водород.

Возможности использования твердотельных батарей и пути выхода из кризиса

Ожидается, что главной движущей силой развития аккумуляторных технологий станут – электромобили. Так, тайваньские компании, имеющие опыт в производстве аккумуляторов для компьютерного и телекоммуникационного секторов, уже начали сборку аккумуляторов для электромобилей. В частности, в этом преуспели компании Simplo, Dynapack и Celxpert.
Чуть дальше пошли тайваньские компании, которые смогли наладить производство материалов для электродов литиевых аккумуляторов – анодов и катодов.

CoreMax, Mechema, Aleees, E-One Moli и Formosa Lithium Iron Oxide Corporation – поставляют материал для анодов, а China Steel Chemical и Chang Chun Group – для катодов. В то же время, все эти компании поставляют материалы для актуальных литий-ионных и литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP и LFPO). Но стоит еще раз подчеркнуть, что батареи на подобных материалах приближаются к пределу своих возможностей и не сохранят лидирующие позиции в будущем.
Foxconn заявила, что демонстрация ее твердотельных Ssbt-продуктов состоится в конце 2021 года, а серийный запуск производства – к 2024 году.

Почему основное применение твердотельных аккумуляторов ожидается в индустрии электромобилей?

Ssbt-батареи потенциально предлагают меньший вес, повышенную надежность, дальность действия, безопасность и меньшую скорость перезарядки, по сравнению с жидкостными батареями. Все эти преимущества, вместе взятые, фактически произведут революцию в индустрии электромобилей.
Ожидается, что к 2030 году продажи электромобилей составят до 32% от общего автомобильного рынка, поэтому, спрос на более эффективные, надежные и долговечные аккумуляторные батареи быстро растет. Это, в свою очередь, создаст огромную потребность в поставках лития во всем мире, что приведет к увеличению затрат на производство новых батарей (если не будут разработаны способы безопасной и надежной утилизации старых Li-on батарей).
Чтобы преодолеть это потенциальное узкое место в поставке аккумуляторных батарей, многие автомобильные компании сами разрабатывают более дешевые и устойчивые solid-state battery.
Например, Toyota недавно объявила, что планирует добавить Ssbt-батареи в свои новые автомобили уже в 2021 году. Согласно отчету, опубликованному Nikkei Asia , это может позволить электромобилям предлагать запас хода в 310 миль (500 км) на одной зарядке, а также быструю перезарядку (с нуля до полной) за 10 минут.
General Motors вместе с SolidEnergy Systems организовал производство аккумуляторов Ultium с жидким электролитом, анодами на базе графита и катодов с комбинацией никеля, кобальта, марганца и алюминия. Это снизит потребность в дефицитных металлах, а также позволит удвоить плотность хранения заряда в аккумуляторах без ущерба для безопасности. Цена аккумуляторов при этом опустится на 50-60%, а масса сократится. GM рассчитывает снизить стоимость хранения 1 кВт/ч электроэнергии с $150 до $100 к 2025 году.
В Китае появляются электромобили на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах (ЛЖФ). Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD и скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит 15-20%.
Tesla и Volkswagen также обещают в ближайшие годы сократить использование кобальта. В 2020 году Илон Маск провел специальную онлайн-презентацию под названием Tesla Battery Day, в ходе которой заявил, что в течение трех лет Tesla наладит серийное производство нового поколения аккумуляторов, которые будут мощнее, долговечнее и дешевле нынешних (что снизит стоимость электрокара до $25 000).
Solid Power – производитель твердотельных аккумуляторов, объявил о привлечении $130 млн от BMW Group, Ford Motor Company и Volta Energy Technologies. BMW и Ford нацелены использовать низкозатратную и эффективную технологию твердотельных аккумуляторов Solid Power в будущих электромобилях.

«BMW и Ford теперь делят лидирующие позиции в гонке электромобилей с твердотельными аккумуляторами», – заявил Дуг Кэмпбелл, генеральный директор и соучредитель Solid Power. – Solid Power планирует начать производство автомобильных аккумуляторов на пилотной производственной линии в начале 2022 года».

Murata Manufacturing планирует в ближайшие месяцы развернуть серийное производство solid-state battery. Японская компания намерена поставлять их производителям наушников и других носимых устройств.
Прорыв в области производства стал возможен за счет объединения технологии литий-ионных аккумуляторов, приобретенной у Sony, с процессами ламинирования, разработанными для производства многослойных керамических конденсаторов – основного вида продукции компании, базирующейся в Киото.
Компания планирует начать производство полностью твердотельных Ssbt-батарей до начала 2022 года с серийностью до 100 000 аккумуляторов в месяц.

Солевые батареи для электромобилей и солнечной энергетики

Другие варианты для электромобилей и солнечной энергетики включают использование гибрида традиционных и твердотельных батарей. Один из ярких примеров – это батареи на солевой основе. Это своего рода квазитвердотельная (QSS) батарея. В этих экспериментальных батареях в качестве электролита и сепаратора батареи используются соли.
Это решение интересно тем, что потенциально является безопасным, «зеленым», доступным по цене и полностью пригодным для вторичной переработки. Совместный исследовательский проект между Ноттингемским университетом (Великобритания) и шестью исследовательскими институтами Китая недавно объявил о некотором прорыве в этой области.
Основываясь на тестах с использованием расплавленных солей, активируемых нагреванием, команда улучшила конструкцию, использовав вместо них твердые соли. Это изменение явилось результатом их предыдущих выводов о том, что расплавленные соли обладают высокой коррозионной активностью, летучестью и склонны к испарению и утечке.
Превращая жидкие соли в твердые и мягкие с помощью нанопорошков твердых оксидов, электролит QSS позволил новым батареям работать при температурах, превышающих 800 ºC (1472 ºF), что примерно соответствует температуре выхлопных газов двигателя.
Если исследование этой международной группы ученых окажется плодотворным, оно может привести к новому и интересному решению для более безопасных и эффективных решений по хранению аккумуляторов для солнечных электростанций и автомобильной промышленности.

Мнение аналитиков Megatrends

Пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике – на 2/3.

Девять из десяти крупнейших обладателей патентов – азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две – Samsung и LG – Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона – немецкий концерн Bosch, занявший пятое место.
То, что в этом направлении активно идет развитие, подтверждает и исследование Bloomberg, аналитики которого выяснили, что средняя цена литий-ионных аккумуляторов упала с $688 до $137 за киловатт-час за 2013-2020 гг. Они прогнозируют, что к 2023 году цены будут близки к $100 за кВт/ч.

Средняя цена на аккумуляторы для электромобилей сегодня  составляет $126 за кВт/ч. Таким образом, стоимость батарейного блока в общей цене автомобиля снизилась до 21%.
К 2030 году стоимость аккумуляторов может снизиться до $58 за кВт/ч за счет solid-state battery technology. Мы приближаемся к рассвету массового распространения электромобилей во всем мире, и теперь, возможно, настало время для выхода на арену твердотельных аккумуляторов. Остается только догадываться, какие типы Ssbt-батарей возьмут верх. Фактом остается, что будущее устройств с батарейным питанием стоит на грани необходимой технологической революции.

Мegatrends со своими партнерами со всей России и мира – всегда “на пульсе” инноваций и технопрорывов. Мы приглашаем вас присоединиться к увлекательной технологической одиссее вместе с нашей профессиональной командой, где вы всегда будете на волне мегатрендов, прибыльных инвестиционных идей и финансовой независимости.