Твердотельный аккумулятор: когда свершится чудо?

Для исследователей в области систем хранения энергии это что-то вроде «Святого Грааля»: твердотельная батарея может волшебным образом раз и навсегда исправить целый ряд хронических (на данный момент) недостатков электромобилей.

Но когда она получит серийное воплощение и реально появится на транспортных средствах?

Твердотельная батарея позволит вывести электромобиль на новый уровень: передовая технология перезаряжаемых аккумуляторов позволяет производителям транспортных средств обещать себе и своим клиентам сверхкороткое время зарядки, максимальный запас хода, полную пожарную безопасность и более низкие эксплуатационные затраты. Но гонка за супербатарейкой пока еще очень далека от финиша. Более того, до сих пор не совсем ясно, существует ли этот финиш в принципе.

Правда, не так давно Nissan во всеуслышание заявил, что компания начнет пилотное производство твердотельных батарей в 2024, а первая серийная машина с такой батареей на борту появится в продаже в 2028 году (читаем тут). Эта декларация произвела на рынке настоящий фурор, но что действительно скрывается за громкими словами производителя, помимо неимоверных амбиций и демонстративного маркетингового оптимизма?

«Эндшпиль» в технологии аккумуляторов

Впрочем, справедливости ради надо отметить, что начальник технологического подразделения Nissan Казухиро Дои, по крайней мере, дал аудитории необычайно открытый отчет о состоянии разработок и планах компании в этом направлении. На фоне других автопроизводителей уже делавших прежде интересные объявления по актуальной теме, но до сих пор, явно, умалчивающих о технических деталях, его подробная околонаучная лекция была особенно захватывающей.

Хотя прагматичной ясности монолог Дои не прибавил. Сейчас, пожалуй, все основные автомобилестроители усердно трудятся  над «супер-АКБ». Фрэнк Блюм, главный по аккумуляторным батареям в VW, даже говорил об «эндшпиле» твердотельных технологий, в котором каждая компания хочет победить. Северные немцы на этом этапе виртуальной шахматной партии тесно сотрудничают  с американской компанией Quantumscape, как бы между прочим владея большинством ее акций. И не без умысла – стартап считается одним из самых перспективных претендентов на роль пионера «твердого тела».

30-процентное увеличение запаса хода

Американо-германская технология должна быть доступна уже в 2025 году. После чего как минимум на одном заводе начнется тестовое производство опытных партий. Блюм говорит об увеличении пробега электромобилей на одной зарядке на 30% по сравнению с нынешними литий-ионными батареями. При этом время зарядки должно сократиться вдвое.

Если заявленные параметры будут достигнуты, одна из самых основных на сегодняшний день проблем электропривода, связанная с запасом хода транспортного средства на одной зарядке, будет практически решена. Это прекрасно знают все участники рынка. Ведь именно к таким характеристикам (или максимально близким) в своих проектах стремятся и другие участники твердотельного ралли: Toyota, Panasonic, BMW, Ford и LG, обозначившие для себя финишную прямую в интервале 2025-2030 гг.

Твердотельные батареи уже используются

Разница между твердотельным аккумулятором и применяемыми сейчас в автомобилестроении аккумуляторными батареями изначально невелика: как понятно из названия – вместо жидкого электролита в них используется твердый. Электролит является одним из ключевых компонентов каждой батареи и отвечает за перенос ионов между анодом и катодом, что, в свою очередь, позволяет электронам мигрировать в противоположном направлении, обеспечивая протекание тока и, в конечном итоге, приводя в действие электродвигатель.

Твердотельные аккумуляторы уже используются вне легковых автомобилей, не только в электронике, но и в коммерческом транспорте и малосерийном производстве. Например, автобус Mercedes Citaro работает на специальном варианте твердотельной батареи, которая требует предварительного нагрева и поэтому не подходит для легковушек.

Альтернативный материал анода

Даже сама по себе замена жидкой фракции на твердую имеет потенциальные преимущества.  Например, в отличие от жидкого электролита, полыхающего легко и быстро точно бензин, его твердого коллегу практически невозможно поджечь. С точки зрения безопасности, это, безусловно, важное достижение. Хотя не слишком весомое, поскольку передовые технологии защиты позволяют уже сейчас предельно снизить риск возгорания жидкостно-электролитных аккумуляторов для электромобилей.

А вот возможность использовать альтернативные материалы анода, за счет применения твердого электролита, гораздо интереснее. Вместо графита, как это принято сегодня, его  можно было бы изготовить из лития, имеющего значительно более высокий электрохимический потенциал.

В итоге большая удельная емкость обеспечивает более высокую плотность энергии при том же размере батареи и, в конечном итоге, больший запас хода транспортного средства. Поэтому 30-процентное увеличение пробега на одной зарядке, о котором говорил Блюм, достигается чуть ли не одним щелчком пальцев путем крайне простых технических модернизаций.

Никакого нового открытия

Но не так все просто как кажется. Использование лития в качестве материала анода не является божественным откровением последних лет. Десятилетиями исследователи экспериментировали с эффективным металлом; однако в сочетании с легковоспламеняющимся жидким электролитом построенные на его основе батареи были слишком небезопасны для серийного использования в автомобиле.

Причиной является критичное изменение анодной структуры при старении батареи. За многочисленные циклы зарядки-разрядки она сильно трансформируется, приводя к пожароопасным коротким замыканиям в жидких электролитах. В твердом электролите эта вероятность исчезает, однако появляется другая проблема – деформация и разрушение ячейки. Что, согласитесь, тоже малоприятно.

Возможны варианты

Тем не менее, анод из лития считается вполне практичным решением, по крайней мере,  теоретически. Конечно же, если получится разобраться с вопросами стабильности и безопасности. Хотя, возможны и другие сочетания материалов.

Для их изучения используются большие базы данных и искусственный интеллект – вся мощь исследовательских центров транснациональных корпораций направлена на поиски наиболее приемлемых комбинаций, имеющих потенциал для серийного производства. При этом ни один из производителей-исследователей в настоящее время не готов утверждать, что система с литием единственно верная.

С электролитами ситуация вроде более ясная. Похоже, умные головы пришли к окончательному выводу: их надо изготавливать из композитных материалов на основе серы. Такие материалы отличаются, прежде всего, очень высокой электропроводностью по сравнению с полимерами и фосфатной керамикой. 

Более высокие цены на твердотельные элементы?

Определившись с материалом электрода и вариантом электролита, промышленность еще должна освоить производство. Nissan уверен в его более низкой стоимости по сравнению с жидкостной батареей, но так ли это на самом деле неизвестно. Ведь многие эксперты, со своей стороны, ожидают наоборот более высоких цен на твердотельные элементы.

Впрочем, это уже не столько научная, сколько маркетинговая тема. Как и любая другая новация, твердотельная технология перейдя в фазу бизнеса может получить абсолютно разные ценовые парадигмы в зависимости от масштаба и области применения. Взять хотя бы ее реализацию в массовых электромобилях и на роскошных транспортных средствах.

Но как бы в итоге не сложилась ситуация появление твердотельных батарей вряд ли приведет к моментальному исчезновению аккумуляторов с жидким электролитом. Данная технология имеет примерно 30-летнее преимущество в развитии, которое нелегко компенсировать: она зарекомендовала себя в автопроме, материалы и производственные процессы проверены, ее эффективность будет продолжать расти в ближайшие годы.

Хотя в целом, ассортимент АКБ в обозримой перспективе, вероятно, станет гораздо более дифференцированным. За счет одного лишь дефицита материалов и колебания цен он получает мощную тенденцию к существенному расширению. Помимо классических литий-ионных аккумуляторов, уже есть недорогие железо-фосфатные батареи. Вскоре к ним, по всей видимости, присоединяться еще более дешевые натриевые батареи. И только потом ее величество твердотельная батарея. А вот какой именно продукт производители предложат в каждом конкретном электромобиле, будет зависеть, прежде всего, от потребительских предпочтений и готовности клиентов платить те или иные суммы.